1. 陶瓷基板：進(jìn)軍60億美元的IGBT市場(chǎng)!

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(gè)分支，作為國(guó)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(dòng)汽車與新能源裝備等領(lǐng)域應(yīng)用極廣。

1IGBT市場(chǎng)規(guī)模

根據(jù)ASMC研究顯示，全球IGBT市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)在2022年達(dá)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(chǎng)規(guī)模在未來(lái)幾年時(shí)間仍將繼續(xù)保持穩(wěn)定增長(zhǎng)的勢(shì)頭。

2IGBT模塊結(jié)構(gòu)及功能

它其實(shí)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(dòng)等各種驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，然后利用新型封裝技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)高性能的IGBT芯片。這其中它還將強(qiáng)電流、高壓應(yīng)用和快速終端設(shè)備用垂直功率自然進(jìn)化，達(dá)到較低的壓降。

3IGBT會(huì)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(lái)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(jià)格。但由于氧化鋁精密陶瓷基片相對(duì)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(gè)模塊內(nèi)部應(yīng)力較低；又具有無(wú)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(wú)氧銅以及更高的可靠性在未來(lái)電動(dòng)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(diǎn)，結(jié)合強(qiáng)度高(熱沖擊性好)等特點(diǎn)。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(lái),國(guó)外采用活性金屬化焊接（AMB）技術(shù)實(shí)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(zhǎng)將拉動(dòng)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(guó)際上公認(rèn)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(hào)指令來(lái)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(dòng)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(zhǎng)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(jì)，中國(guó)新能源汽車市場(chǎng)將在未來(lái)5年迎來(lái)強(qiáng)勁增長(zhǎng)，2020年至2025年的年均復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）將達(dá)到36.1%，假設(shè)單臺(tái)車IGBT用量3000元左右來(lái)預(yù)估，至2025年，國(guó)內(nèi)新能源車IGBT模塊市場(chǎng)規(guī)模為191億左右。

轉(zhuǎn)自:廣州先進(jìn)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(guò)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(diǎn)，當(dāng)前市場(chǎng)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(jìn)，此類產(chǎn)品在市場(chǎng)上將越來(lái)越多見。IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，俗稱電力電子裝置的“CPU”，作為國(guó)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(dòng)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(jì)是IGBT模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一環(huán)，陶瓷基板設(shè)計(jì)的優(yōu)劣將會(huì)影響到模塊的電氣特性，所以想要很好的完成IGBT的設(shè)計(jì)，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(guò)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(jī)械性能優(yōu)、焊接性能佳的顯著特點(diǎn)。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(dá)到170-260W/mK。 IGBT模塊在運(yùn)行過(guò)程中，在芯片的表面會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量會(huì)通過(guò)陶瓷基板傳輸?shù)侥K散熱底板上，再通過(guò)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(dòng)。同時(shí)，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(huì)造成對(duì)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(jī)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(jì)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(jì)原則，合理的進(jìn)行基板的版圖設(shè)計(jì)，就可以完成優(yōu)秀的陶瓷基板設(shè)計(jì)，從而較好的完成IGBT模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

氮化鋁功能陶瓷覆銅板的優(yōu)點(diǎn)？

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(jī)械強(qiáng)度、低膨脹等特性，又具有無(wú)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(diǎn)：

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(qiáng)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