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鄒小姐：13326633089 -
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高速鐵路、軌道交通、混合動力汽車、風能發電的迅速發展，對 IGBT 功率模塊的發展提出了迫切的要求，IGBT 功率模塊封裝也得到了快速發展。在IGBT 模塊中，除了半導體芯片材料之外，高性能基板也是影響其性能和可靠性的關鍵，我們知道如今氮化鋁陶瓷基板在封裝市場上非常火熱，但其實還有一種新型基板材料堪稱為新一代電子封裝材料的佼佼者，即鋁碳化硅（AlSiC）基板。
鋁碳化硅基板
鋁碳化硅（AlSiC）是一種顆粒增強型金屬基復合材料，它充分結合了碳化硅陶瓷和金屬鋁的不同優勢，采用鋁合金作基體，用碳化硅顆粒作增強劑，構成有明顯界面的多組相復合材料。
這種復合材料具有高導熱性、與芯片相匹配的熱膨脹系數、密度小、重量輕，以及高硬度和高抗彎強度等優異性能，作為封裝材料滿足了封裝的輕便化、高密度化等要求，適用于航空、航天、高鐵及微波等領域，是解決熱學管理問題的首選材料，其可為各種微波和微電子以及功率器件、光電器件的封裝與組裝提供所需的熱管理，具有很大的市場潛力。
看到這里可能有人有所疑問，都叫做基板，那這個鋁碳化硅基板難道性能比得上氮化鋁基板？但其實此基板非彼基板，二者不是“競爭關系”，而是“搭檔關系”。
從IGBT模塊的結構圖可知，IGBT模塊共由7層結構構成，大致可以分成三部分：芯片、DBC和基板，這三部分匹配相疊，最終封裝成完整的IGBT模塊。在這其中，DBC的部分需要用基板，另外最底層還有個作為底板的基板。
IGBT模塊示意圖
在傳統的IGBT模塊里，DBC的部分使用的陶瓷基板主要為Al2O3基板，搭配銅基板作為底板基板，而在大功率高壓IGBT模塊里，DBC內的Al2O3基板漸漸被AlN或Si3N4基板所取代，大多還是搭配銅基板作為底板基板。而隨著IGBT技術的逐步提升，IGBT模塊又有所改進，主要變化在于使用鋁碳化硅基板取代原先的銅基板。
常用熱管理材料性能
盡管銅基板具有良好的導熱能力，現如今仍是最重要的IGBT基板材料，但銅的熱膨脹系數接近IGBT芯片的三倍，這三倍的差異在低功率模塊封裝可用陶瓷覆銅板或多層陶瓷覆銅板來過渡解決。但高功率模塊如果用銅基板去承載芯片襯底同時在下方接合散熱器的話，焊接的銅基板經受不住1000次熱循環，焊接外緣就會出現分層脫離。這種情況下，如果長期在震動環境下使用，如軌道機車、電動汽車、飛機等，其可靠性會大幅下降。
另外，銅和陶瓷材料之間不匹配的熱膨脹系數也會導致 IGBT 模塊材料之間熱應力的產生，在焊料中產生機械應變，嚴重的情況將導致焊料開裂，增加芯片和基底間的熱阻，從而引起嚴重的質量問題。例如銅（17×10-6/℃）和氮化鋁DBC（7×10-6/℃）之間熱膨脹系數的不同容易在經過多次熱循環后會出現銅基板與氮化鋁DBC之間的開裂現象。
經過200～4 000次熱循環后銅基板和氮化鋁之間的開裂現象
在這種情況下，鋁碳化硅材料可以解決上述問題，鋁碳化硅可以提供極高的剛性和相匹配的熱膨脹系數（與氮化鋁材料），同時與銅基板相比，密度也小得多，實在是完美解決如今大功率高電壓IGBT模塊生產中，銅基板已無法滿足更高要求這個問題的替代之選。
而從產業化趨勢來看，鋁碳化硅可實現低成本的、無須進一步加工的凈成形，還能與高散熱材料（金剛石、高熱傳導石墨等）的經濟性并存集成，滿足大批量倒裝芯片封裝、微波電路模塊、光電封裝所需材料的熱穩定性及散溫度均勻性要求，同時也是大功率晶體管、絕緣柵雙極晶體管的優選封裝材料，提供良好的熱循環及可靠性，其發展前景非常值得期待。
參考來源：
功率 IGBT 模塊中的材料技術，張曉云（中國電子科技集團公司第十三研究所）；
電子封裝中的鋁碳化硅及其應用，龍樂。
粉體圈小吉
