氮化硅基板应用于IGBT模块

髙压IGBT控制模块造成的热能主要是根据氮化硅陶瓷覆铜板传递到机壳，因而氮化硅陶瓷覆铜板是电力电子行业中功率模块封裝不能缺少的重要基本原材料。它不仅具有陶瓷的高导热、高电绝缘、高机械强度和低膨胀的特点，还具有无氧铜金属的高导电性和优异的钎焊性能，可以刻蚀出PCB等各种图案。氮化硅覆铜板结合了电力电子封装材料的各种优点:

1）陶瓷部分具有优良的导热耐压特性;

铜导体部分具有很高的载流能力;

3）金属和陶瓷间具有较高的附着强度和可靠性;

4）便于进行刻蚀图形，形成一个电路基板;

5）焊接技术性能具有优良，适用于铝丝键合。

陶瓷基板材料的性能是决定陶瓷基板性能的决定性因素。目前，陶瓷覆铜层合板主要有氧化铝陶瓷层合板、碳化铝陶瓷层合板和氮化硅陶瓷层合板三种陶瓷材料。氧化铝陶瓷基板是最常用的陶瓷基板，因为它具有良好的绝缘性、良好的化学稳定性、良好的机械性能和较低的价格，但由于氧化铝陶瓷基板的导热系数相对较低，它与硅的热膨胀系数没有很好的匹配。氧化铝材料作为一种高功率模块封装材料，其应用前景不容乐观。

氮化铝覆铜板在热特性层面有着十分高的导热性和更快的排热性。应力层面，热膨胀系数贴近硅，全部模块的内应力较低，提升了高压IGBT模块的稳定性。全部这种优秀的性能使氮化铝覆铜板变成 封裝高压IGBT模块的优选 。本文研究了直接覆铜工艺（DBC）和活性金属焊接工艺（AMB）制备氮化铝陶瓷覆铜板。 比较了两种工艺的异同点以及制备的氮化铝陶瓷覆铜板的性能差异。

 

高压IGBT模块陶瓷覆铜基板的发展趋势

以碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体材料的出现，为器件性能的进一步提高提供了可能。为了满足 sic/gan 第三代半导体器件的高频、高温和大功率应用要求，为了实现电力电子器件的高密度三维模块化封装，有必要开发出可靠性高、耐温性好、载流能力强的陶瓷包铜衬底。氮化硅陶瓷基板的抗弯强度是氧化铝和氮化铝的2.4倍，因此其可靠性远高于氮化铝和氧化铝，特别是高强度的基板可以实现厚铜基板的包覆，大大提高了基板的热性能。氮化硅陶瓷铜复合板在载流能力、散热能力、力学性能和可靠性方面与氮化铝和氧化铝相比具有明显的优势。同时，β-si3n4陶瓷具有较高的热导率(200-320w/mk) ，但其微观结构较为复杂，大的声子散射和低热导率限制了其作为功率模块基板材料的应用。因此，如何提高氮化硅陶瓷的热导率成为当前研究的热点。

高导热陶瓷应满足以下条件:

平均原子量小;

原子键合强度高；

晶体结构相对简单;

晶格非谐振动较低。

提高氮化硅陶瓷材料热导率的方法主要包括：

 β-氮化硅相种子的引入;

烧结添加剂的选择；

成型技术工艺设计以及热处理工艺。

因此，在大功率 igbt 模块领域，氮化硅陶瓷覆铜板具有较厚的无氧铜焊接能力和较高的可靠性，将在未来的电动汽车高可靠性功率模块中得到广泛应用。根据覆铜板的材料和工艺特点，提出了陶瓷覆铜板的技术发展方向。主要发展方向是大功率模块领域的氮化铝(aln)陶瓷覆铜板(ccl) ，氮化硅陶瓷覆铜板是高可靠性功率模块领域的主要发展方向。

随着我国战略性新兴产业的兴起，电力电子技术在风能、太阳能、热泵、水电、生物质能、绿色建筑、新能源装备、电动汽车、轨道交通等先进制造业等重要领域都发挥着重要的作用，而这其中的许多领域在“十三五”规划中都具备万亿以上的市场规模，其必将带来电力电子技术及其产业的高速发展，迎来重大发展机遇期。 这些将对陶瓷覆铜板（IGBT 模块封装的关键材料）产生巨大需求。因此，必须抓住机遇，开发一系列陶瓷覆铜基板，以满足不同领域的需求。，特别是需要加快高可靠氮化铝基板、氮化硅基板的研发及产业化进度，为我国高压IGBT模块的国产化奠定基础。