功率IGBT模塊中的材料技術(shù)

張曉云

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊，050051)

高速鐵路、軌道交通、混合動力汽車、風能發(fā)電的迅速發(fā)展，對IGBT 功率模塊的發(fā)展提出了迫切的要求，IGBT 功率模塊封裝也得到了快速發(fā)展。當今，以絕緣柵雙極晶體管（IGBT）為代表的新型電力電子器件是高頻電力電子線路和控制系統(tǒng)的核心開關(guān)元器件，它的性能參數(shù)將直接影響和決定電力電子系統(tǒng)的效率和可靠性。在當今國家大力發(fā)展高速鐵路、軌道交通、混合動力汽車、風能發(fā)電的時刻，IGBT 模塊的作用更加凸現(xiàn)，而IGBT 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(guān)鍵，氮化鋁DBC 和鋁碳化硅材料是功率IGBT 模塊中兩個非常重要的新型基板材料。

1 IGBT 原理

IGBT(絕緣柵雙極晶體管Insulated Gate Bipolar Transistor)，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復合全控型電壓驅(qū)動式電力電子器件。本質(zhì)上是一個場效應(yīng)晶體管，只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個P 型層。它是20世紀80年代初誕生，90年代迅速發(fā)展起來的新型復合電力電子器件。IGBT 將MOSFET 與GTR 的優(yōu)點集于一身，既有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好、電壓驅(qū)動型，又具有通態(tài)壓降低、高電壓、大電流的優(yōu)點。芯片采用高阻單晶或區(qū)熔單晶硅片制作，圖1 所示為典型的IGBT 模塊。

圖1 IGBT 模塊

2 IGBT 封裝

IGBT 芯片和軟恢復芯片（續(xù)流二極管）是通過軟焊料焊接在陶瓷DBC 基板（覆銅板）上，DBC的另一面焊接在銅板或AlSiC 基板上，驅(qū)動電路與IGBT 芯片可同層或分層分布。整個組件外表面均有AlSiC 板保護，然后塑封成模塊，圖2 為典型IGBT 模塊的結(jié)構(gòu)圖。

在功率IGBT 模塊封裝中，對電子封裝基板的要求除了應(yīng)具有高導熱率以提高器件的散熱特性以外，還必須具有與Si、GaAs 相匹配的熱膨脹系數(shù)，此外強度高、質(zhì)量輕、工藝簡單、原料成本低也是高性能電子封裝基板所必需關(guān)注的問題。直接敷銅（簡稱DBC）基板和鋁碳化硅（AlSiC）基板正是符合了上述要求的新型IGBT 封裝基板材料，目前已經(jīng)成為兩種最重要的功率IGBT 模塊電子封裝基板材料。

3 AlN DBC 基板

大功率IGBT 模塊所產(chǎn)生的熱量主要是通過DBC 基板傳導出去的，DBC 基板的材料不同，其導熱率也不同，如表1 所示，高導熱基板可以滿足自然冷卻的要求，如氮化鋁和氧化鈹基板，而導熱率較低的基板，如氧化鋁基板，則必須附加電風扇、散熱片等強制冷卻的方法或盡量減小基片的厚度，以減小通道上的熱阻。表1 示出了幾種陶瓷材料的性能。

圖2 IGBT 模塊結(jié)構(gòu)圖

表1 幾種陶瓷材料特性

在表1 的幾種基片材料中，氧化鋁有好的絕緣性、好的化學穩(wěn)定性和力學性能，價格低廉。但是氧化鋁陶瓷基片的熱導率低，與硅的熱膨脹系數(shù)匹配不好。作為高功率密度封裝材料，氧化鋁材料的應(yīng)用前景不容樂觀。氧化鈹是另一種常用的電子封裝基片材料，其制作工藝已相當完善，并廣泛應(yīng)用于大功率模塊、高性能多芯片組件和球柵陣列封裝中，遺憾的是氧化鈹是一種有毒物質(zhì)。但就導熱性而言，氮化鋁基片遠遠高于氧化鋁基片，比氧化鈹基片略低。從結(jié)構(gòu)上來看，氮化鋁陶瓷基片在簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計、降低總熱阻、提高可靠性、增加布線密度和使基板與封裝一體化等方面均具有更大的優(yōu)勢。氮化鋁陶瓷的熱膨脹系數(shù)與硅的非常接近，各類IC 芯片和大功率器件可以直接附著在氮化鋁陶瓷基片上實現(xiàn)板上芯片。因此，氮化鋁DBC 基板在功率IGBT 模塊封裝中具有廣闊的應(yīng)用前景。

氮化鋁DBC 基板與氧化鋁DBC 基板類似，是氮化鋁陶瓷與金屬銅相結(jié)合的一種基板，它也是采用Cu-O 共晶液先將高導熱氮化鋁陶瓷與高導電無氧銅結(jié)合起來。氮化鋁DBC 基板既具有氮化鋁陶瓷的高導熱、高絕緣性，又具有無氧銅的高導電性和高導熱性，并可像PCB 那樣刻蝕出各種圖形。在相同功率的半導體器件中，采用氮化鋁DBC 基板焊接的模塊比普通焊接式模塊，不僅體積小、質(zhì)量輕、省部件，而且具有更好的熱疲勞穩(wěn)定性和更高的集成度，在以下幾個方面具有廣闊的應(yīng)用前景：①功率半導體器件，如IGBT、GTR等；②功率控制線路及新式功率結(jié)構(gòu)單元；③固態(tài)繼電器和高頻開關(guān)電源；④變頻器、交流無觸點開關(guān)等；⑤汽車電子、航空航天軍事技術(shù)等方面。圖3 為采用氮化鋁DBC 基板的標準IGBT 模塊，圖4 為采用氮化鋁DBC 材料的功率IGBT 模塊中材料的熱導率和熱阻。

圖3 采用氮化鋁DBC 基板的標準IGBT 模塊

圖4 功率IGBT 模塊中的材料熱導率和熱阻

為了滿足功率電子器件的發(fā)展需要，近幾年來，氮化鋁DBC 技術(shù)發(fā)展迅速，不僅高導熱的氮化鋁陶瓷實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，而且DBC 的微通道制冷技術(shù)也得到了快速發(fā)展，它由一個集成的DBC 基板和一個三維的微通道冷卻器組成。圖5是與DBC 基板直接集成的微通道冷卻器的示意圖，圖6 為其剖面圖。

4 AlSiC 基板

鋁碳化硅（AlSiC）是一種顆粒增強型金屬基復合材料，其最大特點是可以通過改變SiC 的體積、尺寸及基體成分，獲得不同性能的鋁碳化硅材料。它采用鋁合金作基體，按照設(shè)計要求，以一定形狀、比例和分布狀態(tài)，用碳化硅顆粒作增強劑，構(gòu)成有明顯界面的多組相復合材料，兼具單一金屬所不具備的綜合性能優(yōu)勢。表2 為常用熱管理材料的性能，圖7 為材料的熱膨脹和熱導率比較。

圖5 微通道冷卻器與DBC 基板直接集成

圖6 與DBC 基板直接集成的微通道冷卻器的剖面圖

鋁碳化硅（AlSiC）的主要特點是導熱率高、熱膨脹系數(shù)可調(diào)、密度低、強度高、剛性高、硬度理想，可望替代分別以銅和鎢銅、鉬銅為代表的第一、二代電子封裝材料，用于功率IGBT 模塊中。

盡管銅目前仍是最重要的IGBT 基板材料，但是由于其機械性能在300 ℃以上將發(fā)生不可逆的變化以及熱膨脹系數(shù)和所使用的陶瓷基板材料不相匹配，導致鋁碳化硅材料的市場正在穩(wěn)步的增長，特別是由于機車牽引所需的高可靠基板材料。

表2 常用熱管理材料

圖7 材料的熱膨脹和熱導率比較

銅和陶瓷材料之間不匹配的熱膨脹系數(shù)將導致IGBT 模塊材料之間熱應(yīng)力的產(chǎn)生，在焊料中產(chǎn)生機械應(yīng)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(zhì)量問題，圖8 為經(jīng)過200～4 000 次溫循后銅基板和氮化鋁DBC 陶瓷之間的開裂現(xiàn)象，明顯的原因是銅（17×10-6/℃） 和氮化鋁DBC（7×10-6/℃）之間熱膨脹系數(shù)的不同造成的。

相當剛性的鋁碳化硅材料可以解決上述問題，鋁碳化硅，一種鋁滲透的陶瓷材料，可以提供極高的剛性和相當匹配的熱膨脹系數(shù)（與氮化鋁材料），圖9 為采用鋁碳化硅基板溫循20 000 次的結(jié)果。目前鋁碳化硅材料已經(jīng)廣泛用于高壓大功率的IGBT 模塊中，它可以溫循30 000 次而不開裂，失效機理已經(jīng)不復存在了，圖10 為采用AlSiC 基板的IGBT 模塊。

圖8 經(jīng)過200～4 000 次溫循后銅基板和氮化鋁之間的開裂現(xiàn)象

圖9 采用鋁碳化硅基板的IGBT 模塊溫循20 000 次的結(jié)果

圖10 采用AlSiC 基板的IGBT 模塊

5 結(jié)束語

IGBT 模塊的發(fā)展離不開先進材料的支撐，氮化鋁DBC 技術(shù)和鋁碳化硅是兩種性能非常優(yōu)異的高功率IGBT 模塊用基板材料，它們在提高功率IGBT 模塊性能和可靠性方面作用非常明顯，氮化鋁DBC 和鋁碳化硅材料的發(fā)展將對IGBT模塊中性能低下的氧化鋁DBC 基板和銅、鎢銅、鉬銅材料形成良好的替代。

參考資料：

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