了解一下AlSiC作為IGBT的底板還有哪些優(yōu)點

IGBT 作為一種功率半導(dǎo)體器件，廣泛應(yīng)用于新能源汽車、白色家電、軌道交通、清潔發(fā)電、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由芯片、陶瓷覆銅基板、鍵合線、底板、散熱器、導(dǎo)熱膠、焊料層、有機硅凝膠、塑封外殼等組高功率IGBT散熱問題一直是制約IGBT發(fā)展的主要難點之一。

IGBT模塊中的底板發(fā)揮著形成導(dǎo)熱通道、保證導(dǎo)熱性能、增強模塊機械性能的作用。底板材料一般用銅或者鋁基碳化硅（AlSiC）。今天我們就來了解一下AlSiC作為IGBT的底板還有哪些優(yōu)點。

1、AlSiC的性能特點

鋁碳化硅（AlSiC）是鋁基碳化硅顆粒增強復(fù)合材料的簡稱，又稱碳化硅鋁或鋁硅碳。鋁碳化硅早期應(yīng)用于美軍機雷達芯片襯底，用于替代鎢銅；替代后散熱效果優(yōu)異，并且使雷達整體減重10公斤，這使AlSiC材料得到了重視。

由于其獨特的優(yōu)勢，使得AlSiC在IGBT底板應(yīng)用的滲透率快速提升：

1) AlSiC具有高導(dǎo)熱率（170～200W/mK），是一般封裝材料的十倍，可將芯片產(chǎn)生的熱量及時散發(fā)，提高整個元器件的可靠性和穩(wěn)定性。

2）AlSiC是復(fù)合材料，其熱膨脹系數(shù)等性能可通過改變其組成而加以調(diào)整，可調(diào)的熱膨脹系數(shù)（6.5～9.5×10-6/K），AlSiC的熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體芯片和陶瓷基片實現(xiàn)良好的匹配，能夠防止疲勞失效的產(chǎn)生，甚至可以將功率芯片直接安裝到AlSiC底板上。

3) AlSiC很輕，只有銅材的1/3，和鋁差不多，但抗彎強度卻和鋼材一樣好。這使其在抗震性能方面表現(xiàn)優(yōu)秀，超過銅底板。

4) AlSiC的比剛度是所有電子材料中最高的，是鋁的3倍，是W-Cu和Kovar的5倍，是銅的25倍，另外AlSiC的抗震性比陶瓷好，因此是惡劣環(huán)境（震動較大，如航天、汽車等領(lǐng)域）下的首選材料。

5) AlSiC可以大批量加工，但加工的工藝取決于碳化硅的含量，可以用電火花、金剛石、激光等加工。

6) AlSiC可以鍍鎳、金、錫等，表面也可以進行陽極氧化處理。

7) 金屬化的陶瓷基片可以釬焊到鍍好的AlSiC底板上，用粘結(jié)劑、樹脂可以將印制電路板芯與AlSiC粘合。

8) AlSiC本身具有較好的氣密性。但是，與金屬或陶瓷電子封裝后的氣密性取決于合適的鍍層和焊接。

9) AlSiC的物理性能及力學(xué)性能都是各向同性的。

2、AlSiC底板的制備方法

合理選擇制備工藝對復(fù)合材料的性能至關(guān)重要，在電子封裝中，SiC 體積占比為 55%~80%的 AlSiC才能滿足要求。AlSiC 基板的制備方法由SiC預(yù)制件制備和熔融鋁合金液浸滲兩步組成。其中，SiC預(yù)制件的制備是制備AlSiC復(fù)合材料的首要也是最重要的環(huán)節(jié)。目前預(yù)制件的制備方法主要有模壓成型、美國AFT公司的粉末注射成形和美國CPC公司的Quickeset注射成形技術(shù)。模壓成型法適用于一些結(jié)構(gòu)簡單的構(gòu)件，成型模具制造簡單、操作方便、周期短、無污染、效率高，便于實現(xiàn)自動化生產(chǎn) ，較適用于SiC預(yù)制件的制備。熔融鋁合金液浸滲方法主要有：擠壓鑄造、真空壓力浸滲、真空輔助壓力鑄造和無壓浸滲。

3、AlSiC底板在IGBT的應(yīng)用

底板與散熱器直接相連，最主要的作用是散熱。對于底板材質(zhì)，需要考慮熱導(dǎo)率以及線膨脹系數(shù)（與芯片、陶瓷基板之間熱膨脹系數(shù)的匹配）。

AlSiC充分結(jié)合了碳化硅陶瓷和金屬鋁的不同優(yōu)勢，具有高導(dǎo)熱性、與芯片相匹配的熱膨脹系數(shù)、密度小、重量輕，以及高硬度和高抗彎強度，因此，在高功率電子封裝方面，AlSiC材料以其獨特的優(yōu)勢成為不可替代的材料。

如圖所示，銅具有良好的導(dǎo)熱能力，目前常用銅底板來實現(xiàn)快速散熱，但銅的熱膨脹系數(shù)接近IGBT芯片的三倍，如果長期在震動環(huán)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。而 AlSiC 熱導(dǎo)率雖不如銅，但熱膨脹系數(shù)更接近芯片及陶瓷基板，能夠有效改善模塊的熱循環(huán)能力，英飛凌試驗證明，采用AlSiC材料制作的IGBT底板，經(jīng)過上萬次熱循環(huán)，模塊工作良好如初，焊層完好。

目前AlSiC底板相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)有：蘇州思萃、西安明科、西安創(chuàng)正、西安法迪、富仕多、西安晶奕、北京寶航、湖南浩威特、蘇州漢汽航空、泰格爾、CPS、日本精密陶瓷、SAM等。

審核編輯：劉清