IGBT模塊結(jié)構(gòu)及功能

1. 陶瓷基板：進軍60億美元的IGBT市場!

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）俗稱電力電子裝置的“CPU”，是半導(dǎo)體領(lǐng)域里分立器件中特別重要的一個分支，作為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動汽車與新能源裝備等領(lǐng)域應(yīng)用極廣。

1IGBT市場規(guī)模

根據(jù)ASMC研究顯示，全球IGBT市場規(guī)模預(yù)計在2022年達到60億美元。IGBT在新能源汽車中的成本約占整車成本的7%-10%，是除電池以外成本第二高的元件，也是決定整車能源效率的關(guān)鍵器件。隨著新能源汽車的大量需求和不斷滲透，全球IGBT市場規(guī)模在未來幾年時間仍將繼續(xù)保持穩(wěn)定增長的勢頭。

2IGBT模塊結(jié)構(gòu)及功能

它其實只是指甲蓋那么大的小方塊，但別看體積小，能量卻很大。它是采用IC驅(qū)動等各種驅(qū)動保護電路，然后利用新型封裝技術(shù)，最終實現(xiàn)高性能的IGBT芯片。這其中它還將強電流、高壓應(yīng)用和快速終端設(shè)備用垂直功率自然進化，達到較低的壓降。

3IGBT會用到哪些陶瓷基板？ IGBT模塊是由不同的材料層構(gòu)成，如金屬，陶瓷以及高分子聚合物以及填充在模塊內(nèi)部用來改善器件相關(guān)熱性能的硅膠。陶瓷基片方面主要有氧化鋁、氮化鋁、氮化硅等；覆銅板主要是DBC、DPC、AMB。 傳統(tǒng)的IGBT模塊中，氧化鋁精密陶瓷基板是最常用的精密陶瓷基板，具有好的絕緣性、好的化學(xué)穩(wěn)定性、好的力學(xué)性能和低的價格。但由于氧化鋁精密陶瓷基片相對低的熱導(dǎo)率、與硅的熱膨脹系數(shù)匹配不好，并不適合作為高功率模塊封裝材料。 AlN-DBC

氮化鋁精密陶瓷基板在熱特性方面具有非常高的熱導(dǎo)率，散熱快、高電絕緣性；在應(yīng)力方面，熱膨脹系數(shù)與硅接近，整個模塊內(nèi)部應(yīng)力較低；又具有無氧銅的高導(dǎo)電性和優(yōu)異的焊接性能，是IGBT模塊封裝的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。提高了高壓IGBT模塊的可靠性。這些優(yōu)異的性能都使得氮化鋁覆銅板成為高壓IGBT模塊封裝的首選。 高功率IGBT模塊領(lǐng)域，氮化硅陶瓷覆銅板因其可以焊接更厚的無氧銅以及更高的可靠性在未來電動汽車用高可靠功率模塊中應(yīng)用廣泛。

DBC在IGBT模組上的應(yīng)用

目前IGBT封裝主要采用DBC陶瓷基板，原因在于DBC具有金屬層厚度大（一般為100~600um），具有載流大、耐高溫性能好及可靠性高的特點，結(jié)合強度高(熱沖擊性好)等特點。DPC陶瓷基板由于在厚度的缺陷，在IGBT上的應(yīng)用面不太廣。 近年來,國外采用活性金屬化焊接（AMB）技術(shù)實現(xiàn)了氮化鋁和氮化硅陶瓷與銅片的覆接。該技術(shù)制備的陶瓷覆銅板可靠性大幅提高,因此,AMB基板已成為新能源汽車、軌道交通、航空航天、風(fēng)力發(fā)電等中高端IGBT主要散熱電路板。4IGBT增長將拉動陶瓷基板需求 IGBT是現(xiàn)代電力電子器件中的主導(dǎo)型器件，是國際上公認的電力電子技術(shù)第三次革命最具代表性的產(chǎn)品。IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，能夠根?jù)信號指令來調(diào)節(jié)電路中的電壓、電流、頻率、相位等，廣泛應(yīng)用軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動汽車與新能源裝備等領(lǐng)域，可想而知它有多么重要。

在工控領(lǐng)域、電源行業(yè)、家電行業(yè)、新能源汽車及光伏類IGBT快速增長的大背景下，陶瓷基板特別是高性能散熱基板的需求將與日俱增。特別是新能源汽車方面，據(jù)IDC預(yù)計，中國新能源汽車市場將在未來5年迎來強勁增長，2020年至2025年的年均復(fù)合增長率（CAGR）將達到36.1%，假設(shè)單臺車IGBT用量3000元左右來預(yù)估，至2025年，國內(nèi)新能源車IGBT模塊市場規(guī)模為191億左右。

轉(zhuǎn)自:廣州先進陶瓷展

2.IGBT模塊中氮化鋁陶瓷基板的應(yīng)用

IGBT模塊是由IGBT（絕緣柵雙極型晶體管芯片）與FWD（續(xù)流二極管芯片）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品。封裝后的IGBT模塊直接應(yīng)用于變頻器、UPS不間斷電源等設(shè)備上，具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點，當(dāng)前市場上銷售的多為此類模塊化產(chǎn)品，并且隨著節(jié)能環(huán)保等理念的推進，此類產(chǎn)品在市場上將越來越多見。IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷追Q電力電子裝置的“CPU”，作為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動汽車與新能源裝備等領(lǐng)域應(yīng)用極廣。

IGBT模塊因其優(yōu)異的電氣性能，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代電力電子技術(shù)中。氮化鋁陶瓷基板的設(shè)計是IGBT模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一環(huán)，陶瓷基板設(shè)計的優(yōu)劣將會影響到模塊的電氣特性，所以想要很好的完成IGBT的設(shè)計，就需要遵循氮化鋁陶瓷基板的一些原則。 氮化鋁陶瓷基板在電力電子模塊技術(shù)中，主要是作為各種芯片(IGBT芯片、Diode芯片、電阻、SiC芯片等)的承載體，陶瓷基板通過表面覆銅層完成芯片部分連接極或者連接面的連接，功能近似于PCB板。 氮化鋁陶瓷基板具有絕緣性能好、散熱性能好、熱阻系數(shù)低、膨脹系數(shù)匹配、機械性能優(yōu)、焊接性能佳的顯著特點。使用氮化鋁陶瓷基板作為芯片的承載體，可以將芯片與模塊散熱底板隔離開，基板中間的AlN陶瓷層可有效提高模塊的絕緣能力(陶瓷層絕緣耐壓>2.5KV)，而且氮化鋁陶瓷基板具有良好的導(dǎo)熱性，熱導(dǎo)率可以達到170-260W/mK。 IGBT模塊在運行過程中，在芯片的表面會產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量會通過陶瓷基板傳輸?shù)侥K散熱底板上，再通過底板上的導(dǎo)熱硅脂傳導(dǎo)于散熱器上，完成模塊的整體散熱流動。同時，氮化鋁陶瓷基板膨脹系數(shù)同硅(芯片主要材質(zhì)為硅)相近(7.1ppm/K)，不會造成對芯片的應(yīng)力損傷，氮化鋁陶瓷基板抗剝力>20N/mm2,具有優(yōu)秀的機械性能，耐腐蝕，不易發(fā)生形變，可以在較寬溫度范圍內(nèi)使用。并且焊接性能良好，焊接空洞率小于5%，正是由于氮化鋁陶瓷基板的各種優(yōu)良性能，所以被廣泛應(yīng)用于各型IGBT模塊中，采用氮化鋁陶瓷基板的IGBT模塊具有更好的熱疲勞穩(wěn)定性和更高的集成度。 IGBT模塊已被廣泛的應(yīng)用在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中，氮化鋁陶瓷基板在電力電子模塊技術(shù)中，作為芯片承載體。陶瓷基板設(shè)計的優(yōu)劣直接影響到模塊的電氣性能，因此遵循一定的設(shè)計原則，合理的進行基板的版圖設(shè)計，就可以完成優(yōu)秀的陶瓷基板設(shè)計，從而較好的完成IGBT模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

氮化鋁功能陶瓷覆銅板的優(yōu)點？

氮化鋁功能陶瓷覆銅板既具有陶瓷的高導(dǎo)熱性、高電絕緣性、高機械強度、低膨脹等特性，又具有無氧銅的高導(dǎo)電性和優(yōu)異的焊接性能，是IGBT模塊封裝的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。

氮化鋁功能陶瓷覆銅板集合了功率電子封裝材料所具有的各種優(yōu)點：

1)陶瓷部分具有優(yōu)良的導(dǎo)熱耐壓特性;

2)銅導(dǎo)體部分具有極高的載流能力;

3)金屬和陶瓷間具有較高的附著強度和可靠性;

4)便于刻蝕圖形，形成電路基板;

5)焊接性能優(yōu)良，適用于鋁絲鍵合。

審核編輯 ：李倩