IGBT模块应用的氮化铝陶瓷基板

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　　绝缘栅双极晶体管(IGBT)是实现电能转换和控制的最先进的电力电子器件，大规模应用于电动汽车、电力机车、智能电网等领域。氮化铝陶瓷覆铜板既具有陶瓷的高导热性、高电绝缘性、高机械强度、低膨胀等特性，又具有无氧铜的高导电性和优异的焊接性能，是IGBT模块封装的关键基础材料。本文采用直接覆铜工艺(DBC)和活性金属焊接工艺(AMB)制备了氮化铝陶瓷覆铜板，对比了两种工艺的异同点和制备的氮化铝陶瓷覆铜板的性能差异，并指出氮化硅陶瓷覆铜板有望在下一代功率模块上广泛应用。
　　IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)全称绝缘栅双极型晶体管，是实现电能转换和控制的最先进的电力电子器件，具有输入阻抗大、驱动功率小、开关速度快、工作频率高、饱和压降低、安全工作区大和可耐高电压和大电流等一系列优点，被誉为现代工业变流装置的“CPU”，在轨道交通、航空航天、新能源汽车、风力发电、国防工业等战略性产业广泛应用。
　　高压大功率IGBT模块所产生的热量主要是通过陶瓷覆铜板传导到外壳而散发出去的，因此陶瓷覆铜板是电力电子领域功率模块封装的不可或缺的关键基础材料。它既具有陶瓷的高导热性、高电绝缘性、高机械强度、低膨胀等特性，又具有无氧铜金属的高导电性和优异的焊接性能，并能像PCB线路板一样刻蚀出各种图形。陶瓷覆铜板集合了功率电子封装材料所具有的各种优点：
　　1)陶瓷部分具有优良的导热耐压特性;
　　2)铜导体部分具有极高的载流能力;
　　3)金属和陶瓷间具有较高的附着强度和可靠性;
　　4)便于刻蚀图形，形成电路基板;
　　5)焊接性能优良，适用于铝丝键合。
　　陶瓷基板材料的性能是陶瓷覆铜板性能的决定因素。目前，已应用作为陶瓷覆铜板基板材料共有三种陶瓷，分别是氧化铝陶瓷基板、氮化铝陶瓷基板和氮化硅陶瓷基板。氧化铝基陶瓷基板是最常用的陶瓷基板，由于它具有好的绝缘性、好的化学稳定性、好的力学性能和低的价格，但由于氧化铝陶瓷基片相对低的热导率、与硅的热膨胀系数匹配不好。作为高功率模块封装材料，氧化铝材料的应用前景不容乐观。
　　氮化铝覆铜板在热特性方面具有非常高的热导率，散热快;在应力方面，热膨胀系数与硅接近，整个模块内部应力较低，提高了高压IGBT模块的可靠性。这些优异的性能都使得氮化铝覆铜板成为高压IGBT模块封装的首选。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的工艺方法，对比了两种工艺的异同点和制备的氮化铝陶瓷覆铜板的性能差异。
　　二、直接覆铜工艺(DBC)制备氮化铝陶瓷覆铜板的研究
　　所谓的DBC技术，是指在在含氧的氮气中以1063℃左右的高温加热，氧化铝或氮化铝陶瓷表面直接焊接上一层铜箔。其基本原理是：利用了铜与氧在烧结时形成的铜氧共晶液相，润湿相互接触的两个材料表面，即铜箔表面和陶瓷表面，同时还与氧化铝反应生成CuAlO2、Cu(AlO2)2等复合氧化物，充当共晶钎焊用的焊料，实现铜箔与陶瓷的牢固结合[]。但由于氮化铝是一种非氧化物陶瓷，敷接铜箔的关键是使其表面形成氧化物过渡层，然后通过上述过渡层与Cu箔敷合实现AlN与Cu箔的敷合。
　　基于上述基础理论，我们系统研究了氮化铝陶瓷表面氧化、无氧铜氧化以及直接覆铜等工艺，优化了工艺参数，制备出氮化铝陶瓷覆铜板。样品内部没有发现明显空洞存在，特别是芯区无空洞，上下界面空洞含量均小于3%。将样品切成10mm宽的长条预制切口，测试铜从陶瓷表面拉起的拉力，样品的剥离强度均大于60N/cm。
　　陶瓷与铜界面结合紧密，而且结构致密。陶瓷晶粒大约为1-5μm，与铜之间存在8-10微米的过渡层。该过渡层结构致密，晶粒约为3-5μm，但是晶粒间存在不连贯的微裂纹。陶瓷表面致密，没有气孔存在。表面颗粒凹凸不平，可能是拉开时裂纹沿晶界扩展，部分颗粒在铜上部分颗粒在陶瓷上导致。
　　三 活性金属焊接工艺(AMB)制备氮化铝陶瓷覆铜板研究

　　活性焊铜工艺是DBC工艺技术的进一步发展，它是利用钎料中含有的少量活性元素与陶瓷反应生成能被液态钎料润湿的反应层，从而实现陶瓷与金属接合的一种方法。先将陶瓷表面印刷活性金属焊料而后与无氧铜装夹后在真空钎焊炉中高温焊接，覆接完毕基板采用类似于PCB板的湿法刻蚀工艺在表面制作电路，最后表面镀覆制备出性能可靠的产品。AMB基板是靠陶瓷与活性金属焊膏在高温下进行化学反应来实现结合，因此其结合强度更高，可靠性更好。但是由于该方法成本较高、合适的焊料较少、焊料对于焊接的可靠性影响较大，只有日本几家公司掌握了高可靠活性金属焊接技术.
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　　公司主营产品是陶瓷基电路板，如氧化铝陶瓷基、氮化铝陶瓷基、氧化锆陶瓷基、玻璃、石英等，采用激光快速活化金属化技术（Laser Activation Metallization,简称LAM技术）制作。
　　金属层与陶瓷之间结合强度高、电学性能好，可以重复焊接，金属层厚度在1μm-1mm内可调，L/S分辨率可达到20μm，可直接实现过孔连接，为客户提供定制化生产的贴心服务。
　　陶瓷电路板技术参数：
　　可焊性：可在260℃多次焊接，并可在－20～80℃内长期使用
　　高频损耗：小，可进行高频电路的设计和组装
　　线/间距（L/S）分辨率：最大可达20μm
　　有机成分：不含有机成分，耐宇宙射线
　　氧化层：不含氧化层，可以在还原性气氛中长期使用
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