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邹小姐：13326633089 -
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高速(su)铁路、轨(gui)道交(jiao)通、混合动力汽车、风(feng)能发电的迅(xun)速(su)发展(zhan)，对 IGBT 功率模块的(de)发(fa)展提(ti)出(chu)了(le)迫切的(de)要求，IGBT 功(gong)率模块(kuai)封(feng)装也(ye)得到了快速发展。在IGBT 模块中，除了半导体芯(xin)片材(cai)料之外(wai)，高性(xing)能基板(ban)也是影响其性(xing)能和(he)可靠性(xing)的(de)关(guan)键，我们(men)知道如今氮化铝(lv)陶瓷基(ji)板在(zai)封(feng)(feng)装(zhuang)(zhuang)市场上非(fei)常火热，但其(qi)实还有(you)一种新(xin)型(xing)基(ji)板材(cai)(cai)料堪称(cheng)为新(xin)一代电(dian)子封(feng)(feng)装(zhuang)(zhuang)材(cai)(cai)料的佼佼者(zhe)，即铝碳(tan)化硅（AlSiC）基板。
铝碳(tan)化(hua)硅(gui)基板
铝碳化硅（AlSiC）是一(yi)种颗粒增强型金属基复合材料，它充分(fen)结合了碳(tan)化硅陶瓷和(he)金属铝的不同优势，采用铝合金作基体，用(yong)碳化硅颗粒作(zuo)增强剂，构成(cheng)有(you)明(ming)显界面的多组相复合材料。
这(zhei)种(zhong)复合材料(liao)具有(you)高导热(re)性、与芯片(pian)相(xiang)匹(pi)配的热(re)膨胀系数(shu)、密度(du)小、重(zhong)量(liang)轻，以及(ji)高硬度(du)和高抗弯(wan)强(qiang)度(du)等(deng)优异性(xing)能，作为封装材料(liao)满(man)足了(le)封装的轻(qing)便(bian)化、高密度化等要求(qiu)，适用于航空、航天、高铁及微波等领域，是解(jie)决(jue)热学管理问(wen)题的首选材料，其可为各种微波和微电(dian)子(zi)以(yi)及功率(lv)器件、光电(dian)器件的(de)封装(zhuang)与组装(zhuang)提供所(suo)需的热管理，具(ju)有很(hen)大的市场(chang)潜力。
看到(dao)这里可能有(you)人有(you)所疑问，都叫做基(ji)(ji)板，那这个(ge)铝碳化(hua)硅(gui)基(ji)(ji)板难道性能比得上(shang)氮化(hua)铝基(ji)(ji)板？但其实此(ci)基(ji)(ji)板非彼基(ji)(ji)板，二者不是(shi)“竞争关系”，而是“搭档关系”。
从IGBT模块的结构图可知，IGBT模(mo)块共(gong)由7层结构(gou)构(gou)成，大致(zhi)可以(yi)分(fen)成三部分(fen)：芯片(pian)、DBC和基板，这三部分匹(pi)配(pei)相(xiang)叠，最终封装成完整的IGBT模块。在这其中，DBC的(de)部分需要用基板，另外最底(di)层还有个作为(wei)底(di)板的(de)基板。
IGBT模块示意(yi)图(tu)
在传统(tong)的IGBT模块里，DBC的部(bu)分使用(yong)的陶(tao)瓷基板主要(yao)为(wei)Al2O3基板(ban)(ban)(ban)，搭(da)配(pei)铜基板(ban)(ban)(ban)作为底板(ban)(ban)(ban)基板(ban)(ban)(ban)，而在大功率高压IGBT模(mo)块里，DBC内的Al2O3基板渐渐被(bei)AlN或Si3N4基板所(suo)取代(dai)，大多还是(shi)搭配(pei)铜(tong)基板(ban)作为底(di)板(ban)基板(ban)。而随(sui)着IGBT技(ji)术的逐步提(ti)升，IGBT模(mo)块又有(you)所改进，主要变化(hua)在(zai)于使用铝碳化硅基(ji)板取代原先的铜基(ji)板。
常(chang)用(yong)热(re)管(guan)理(li)材料性(xing)能
尽(jin)管铜(tong)基板具有(you)良好的导热能力，现如今仍(reng)是最重要(yao)的(de)IGBT基板材料，但铜的热膨胀系数接近IGBT芯(xin)片的三倍，这三倍的差(cha)异(yi)在低功率模(mo)块封装可用陶瓷覆(fu)铜板或多层陶瓷覆(fu)铜板来过渡解(jie)决。但高功率模块(kuai)如果用铜基(ji)板去承载芯片衬底同(tong)时在(zai)下方接(jie)(jie)合散热器的话，焊接(jie)(jie)的铜基(ji)板经(jing)受不住1000次热循环(huan)，焊(han)接外(wai)缘(yuan)就会出(chu)现分(fen)层(ceng)脱离。这种(zhong)情况(kuang)下(xia)，如(ru)果长期(qi)在(zai)震动环(huan)境下(xia)使(shi)用(yong)，如(ru)轨道机车(che)、电动汽车(che)、飞机等，其(qi)可靠性(xing)会大(da)幅下(xia)降。
另外(wai)，铜和(he)陶(tao)瓷材料之间不匹配(pei)的(de)热膨胀(zhang)系(xi)数也(ye)会导(dao)致 IGBT 模块(kuai)材料之间热应力的产生(sheng)(sheng)，在焊料中产生(sheng)(sheng)机(ji)械应变(bian)，严(yan)重(zhong)的情(qing)况将(jiang)导致焊料开(kai)裂，增加(jia)芯(xin)片和基(ji)底(di)间的热阻，从(cong)而引起严(yan)重(zhong)的质量(liang)问题。例如铜（17×10-6/℃）和氮化铝DBC（7×10-6/℃）之间热膨胀系数的不同容(rong)易在经过多次热循环后会(hui)出现铜基板与氮(dan)化铝DBC之间的开裂现(xian)象。
经(jing)过200～4 000次热循(xun)环后(hou)铜基板和氮化铝之(zhi)间的(de)开裂现象
在(zai)这种情(qing)况下，铝碳化硅(gui)材料(liao)可以(yi)(yi)解决上述问题，铝碳化硅(gui)可以(yi)(yi)提(ti)供极(ji)高的(de)(de)刚性和相匹配的(de)(de)热(re)膨胀系数（与氮化铝材料(liao)），同时与铜基板相(xiang)比，密度(du)也小得多(duo)，实在(zai)是完美(mei)解(jie)决如今大功率高(gao)电压IGBT模块(kuai)生产中，铜基(ji)板已无法满足更高要求(qiu)这个(ge)问题的(de)替代之(zhi)选。
而(er)从产(chan)业(ye)化趋势(shi)来(lai)看，铝碳化硅可实现低成本的、无须进一步(bu)加工(gong)的净成形，还能与(yu)高散热材料（金刚石、高热传导(dao)石墨(mo)等）的(de)经济(ji)性并存集(ji)成，满足大(da)批量(liang)倒装(zhuang)芯片封(feng)装(zhuang)、微波电路模块、光电封(feng)装(zhuang)所需(xu)材料的(de)热(re)稳定性及(ji)散温度(du)均匀性要求，同时也是大(da)功(gong)率晶体(ti)管、绝缘栅双极(ji)晶体(ti)管的(de)优选封(feng)装(zhuang)材料，提供(gong)良好的(de)热(re)循环及(ji)可(ke)靠性，其发展(zhan)前景非常值得期待。
参考来(lai)源：
功率 IGBT 模块中的(de)材料技术，张晓云（中国电(dian)子科技集团公司第十三研(yan)究所）；
电子封(feng)装中的铝碳化硅及其应用，龙(long)乐(le)。
粉体圈小吉
