陶瓷基板在IGBT功率器件中的应用现状

• IGBT功率器件概述

• 绝缘栅双极晶体管（IGBT）是一种新型复合功率器件，它结合了金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）和双极晶体管的优点，具有输入阻抗大、驱动功率小、开关速度快、工作频率高、饱和压降低、安全工作区大和可耐高电压和大电流等一系列优势。因此，IGBT被大规模应用于电动汽车、电力机车里的电机驱动以及并网技术、储能电站、工业领域的高压大电流场合的交直流电转换和变频控制等领域，是电力电子领域中最重要的大功率器件，堪称绿色经济的核心器件。

• 在这些应用场景中，IGBT面临着高功率密度所带来的大量发热问题，而热量如果不能及时散出，会导致性能下降和可靠性问题，芯片散热不良将导致IGBT模块失效，据报道约70%的IGBT模块失效归因于散热不良引起的键合线剥离或熔断。



• 陶瓷基板的应用情况

• 种类和工艺：陶瓷基板在IGBT中能起到较好的机械支撑、电路互联、电气绝缘和散热通路的功能。从陶瓷基片材料上看，国内常用陶瓷基板材质主要为Al2O3、AlN和Si3N4。从工艺实现陶瓷基板覆铜后再刻蚀的不同来看，当前较普遍的陶瓷散热基板分为高温共烧陶瓷（HTCC）、低温共烧陶瓷（LTCC）、直接覆铜（DBC）、直接电镀铜（DPC）、活性金属钎焊（AMB）等。其中，氧化铝（Al2O3）最常用，因为在机械、热、电性能上相对于大多数其他氧化物陶瓷，其强度及化学稳定性高，且原料来源丰富，适用于各种各样的技术制造以及不同的形状；氮化铝（AlN）导热率较高，其热导率是Al2O3的7 - 10倍，绝缘电阻、绝缘耐压更高，介电常数更低，热膨胀系数（CTE）与硅片近似匹配；氮化硅（Si3N4）可靠性优秀，热膨胀系数（2.4ppm/K）较小，与硅芯片（4ppm/K）接近，具有较高的热导率、抗弯强度大，机械性能具有优异的耐高温性能、散热特性和超高的功率密度，载流能力较高，而且传热性也非常好。而从封装结构和应用要求分类，陶瓷基板可分为平面陶瓷基板和三维陶瓷基板两大类。

• 工艺对应的基板类型应用：Al2O3陶瓷基板主要采用DBC工艺，AlN陶瓷基板主要采用DBC和AMB工艺，Si3N4陶瓷基板更多采用AMB工艺。在当前，DBC工艺在国内的IGBT模块中有大量应用，但随着工作电压、性能要求的不断提升，AMB工艺技术的陶瓷基板由于可靠性更优等优点（如AMB基板制备技术是DBC基板工艺的改进，通过选用活性焊料可降低键合温度（低于800°C），进而降低陶瓷基板内部热应力），逐渐在更多领域得到应用，目前该技术不仅在汽车领域，还在航天、轨道交通、工业电网领域广泛应用，并且AMB氮化硅基板是第三代SiC半导体功率器件首选，因为它具有较高的热导率(90W/mK)，厚铜层(达800μm)还具有较高热容量以及传热性，此外，氮化硅陶瓷基板的热膨胀系数与第3代半导体衬底SiC晶体接近，使其能够与SiC晶体材料匹配更稳定。

陶瓷基板对IGBT功率器件性能的影响

• 散热性能的提升

• 改善热传导：在IGBT工作过程中，由于其高功率密度，会产生大量热量。普通的基板（例如玻璃纤维材质的普通PCB）在散热能力上存在很大局限性。陶瓷基板有着优异的散热性能，如氮化铝陶瓷基板，其导热率较高，热导率是Al2O3的7 - 10倍，能够高效地将IGBT芯片产生的热量传导出去。以DBCAl2o3基板为例，其导热系数是传统基材的五倍，这使得它可以有效散热IGBT产生的热量，从而降低其工作温度，使IGBT处于更适合的工作温度区间，避免因高温所导致的降低功率、性能衰退甚至失效等问题。

• 防止局部过热：陶瓷基板良好的散热能力可以确保整个IGBT芯片的热量散发均匀，避免出现局部过热现象。例如在高功率的IGBT模块中，如果热量散发不均匀，局部过热的区域容易使键合线等部件发生损坏，进而影响整个模块的正常运行。陶瓷基板的高导热性使得芯片各个部分的热量都能快速传导出去，从而维持整个IGBT模块温度的一致性，提高模块的稳定性和可靠性。

• 电气性能的优化

• 电绝缘性能保障：陶瓷基板具有良好的电气绝缘性，这在IGBT功率器件中是非常重要的。因为在电路运行过程中，需要将不同电位的部件进行隔离。如果基板的绝缘性能不好，容易引发短路故障，可能会对整个电路系统造成不可挽回的损害。不同类型的陶瓷基板材料都有着较强的绝缘能力，例如氧化铝陶瓷基板不仅导热性稳定，还具备良好的绝缘性，在各种功率要求的IGBT器件中，都能够满足电气绝缘需求，对保障整个IGBT功率器件的正常运行有着重要意义，避免因电气绝缘失效导致的设备损坏或危险状况发生。

• 减小电气干扰：在复杂的电路环境下，IGBT功率器件容易受到外界的电磁干扰或者自身产生的电气干扰影响其他电子元件。陶瓷基板能够为电路提供一个稳定的电气环境，最大限度地减少电气干扰。DBCDPC基板优异的电绝缘性能有助于最大限度地减少电气干扰并提高系统的整体安全性，在大功率应用中即使是很小的电气干扰也可能造成重大损坏，所以这种电气抗干扰能力对于IGBT功率器件的整体性能和可靠性有着重大的提升作用。

• 机械性能的贡献

• 机械强度支撑：陶瓷基板在结构上能够为IGBT芯片提供足够的机械支撑。在一些恶劣的工作环境（如震动较大的汽车、航天等领域）或者长期使用中，IGBT芯片需要稳固的支撑才能保持正常的性能。即使在极端温度下，陶瓷基板也能保持其机械强度，满足芯片的支撑需求，从而确保IGBT功率器件在不同环境下都能够稳定地工作，不会因为机械结构的松动、变形等现象而出现故障，有助于提高产品的耐久性和可靠性。

• 适应热膨胀：在IGBT功率器件工作过程中，由于发热等因素会引起温度的变化，进而导致装置内不同材料热膨胀不一致的问题。与IGBT芯片热膨胀系数相近的陶瓷基板，如氮化铝陶瓷基板，其热膨胀系数与硅接近，整个模块内部应力较低。这种热膨胀系数的匹配有助于减少因温度变化产生的内部应力，避免因应力过大出现诸如芯片和基板间键合线断裂或者基板翘曲变形等故障，提高IGBT功率器件的使用寿命和可靠性。

IGBT功率器件中陶瓷基板的选择标准

• 导热性能

• 高热导率材料优先：IGBT功率器件运行时发热量大，所以陶瓷基板的导热率是重要的选择依据。例如氮化铝陶瓷基板的热导率是氧化铝陶瓷基板的7 - 10倍，在对散热需求极高的高功率IGBT模块中具备更大的优势。在氮化铝精密陶瓷基板下，热量能更快地从芯片传导出去，能有效地防止芯片因过热导致性能下降或失效的情况发生。并且，对于大功率和高电流的IGBT应用场景，如在电动汽车逆变器中使用的IGBT模块，通过快速散热能力维持较低的工作温度，从而确保整个系统的高效稳定运行，减少由于过热引起的故障风险，因此高热导率材料制成的陶瓷基板更为适合。

• 匹配不同封装散热需求：不同的IGBT封装设计在散热要求上存在差异。对于一些紧凑封装且散热面积有限的IGBT功率器件，需要陶瓷基板具有更加卓越的导热能力，以弥补散热空间不足的问题。例如在小型化的工业变频器中的IGBT模块，选用导热性能好的陶瓷基板能够在有限的空间内快速散出热量，避免热量积累影响性能。

• 电气性能要求

• 绝缘性能良好：陶瓷基板必须要有优异的电绝缘性，以实现电路中不同部分的电气隔离，防止短路。在IGBT功率器件这样高压大电流的环境下运作，任何电气绝缘上的薄弱环节都可能导致灾难性的后果。氧化铝陶瓷基板具备好的绝缘性，即使当IGBT模块在数千伏的电压下运行时，也能够确保电路组件之间不会有漏电或者击穿现象，保障系统的安全性。

• 适合的介电常数和电阻率等特性：除了绝缘性，陶瓷基板的介电常数、电阻率等电气特性也需要适配IGBT功率器件的工作要求。如果介电常数不合适，可能影响电路的信号传输和电场分布；电阻率不足会导致较大的漏电电流等问题。例如在超高频的IGBT应用场景中，需要陶瓷基板具备合适的介电常数，以保证信号的准确传输，提高整个功率组件的工作性能。

• 与芯片的热膨胀匹配性

• 减小内部应力：IGBT功率器件工作时温度会发生显著变化，陶瓷基板与芯片热膨胀系数的匹配程度直接影响着内部应力的大小。如果热膨胀系数差异过大，在温度变化时，芯片与基板之间就会产生较大的内部应力，容易导致键合线断裂或者芯片损坏。例如，氮化铝陶瓷基板的热膨胀系数与硅片近似匹配，在封装IGBT芯片时，能够有效降低内部应力，提高整个模块的可靠性和使用寿命，在需要长时间稳定运行的IGBT功率器件（如航天航空电源系统中的IGBT模块）中有着重要意义。

• 适应热循环要求：在一些IGBT功率器件的应用场景中，可能会频繁地经历温度快速变化的热循环过程，如汽车的启动 - 停止循环期间，IGBT模块的温度会迅速变化。此时，陶瓷基板与芯片在热膨胀方面的良好匹配，能够使芯片和基板在热循环过程中更好地同步膨胀和收缩，避免由于两者变形不一致而产生的损坏，确保IGBT功率器件在反复的热循环下稳定运行。

不同类型陶瓷基板在IGBT功率器件中的比较

• 氧化铝（Al2O3）陶瓷基板

• 导热率相对较低：相对于氮化铝和氮化硅陶瓷基板来说，导热率不高，导热系数通常在25w - 30w之间。在功率要求较高、发热量大的IGBT功率器件（如高功率的电动汽车驱动模块中的IGBT）中，热量不能快速且高效地散去，可能会导致IGBT芯片温度过高，进而使整个模块的性能下降，甚至可能加快芯片的老化进程或者引发故障。

• 热膨胀系数与硅不匹配：该陶瓷基板的热膨胀系数与硅的热膨胀系数匹配不够理想。在IGBT这样的含硅芯片的功率器件中，当温度发生变化时，由于热膨胀系数的差异，会产生较大的内部应力，使得芯片 - 基板界面或者键合部分容易受到影响，长期运行过程中，出现键合线剥离或者其他连接问题的概率也会增加。

• 成本较低且原料易得：是最常用的陶瓷基板材质，由于其产量较大，相对其他陶瓷材料，具有成本优势，这使得在一些对成本较为敏感且功率需求不是特别高的IGBT功率器件应用中得到广泛使用。例如一些在小型工业电机控制中的IGBT模块，对成本有一定要求，氧化铝陶瓷基板就比较合适。它的原料来源丰富，适用于各种各样的技术制造以及不同的形状，可以满足多种不同的加工需求和IGBT模块的封装结构要求。

• 化学稳定性较好：具有一定的抗腐蚀能力，在一般的工作环境下不易与外界物质发生化学反应。在一些较为普通的工业环境或者相对温和的储能电站中的IGBT功率器件中，氧化铝陶瓷基板能够保持稳定的性能，减少因化学腐蚀导致的性能下降或者损坏风险。

• 机械性能较为稳定：在机械强度方面表现较好，能够对IGBT芯片提供基本的机械支撑，在正常的工作震动或者外部机械应力影响下，保持自身结构的完整性，确保IGBT芯片的稳定工作。不过在一些对机械强度要求更高的极端环境下，其性能较氮化硅等陶瓷基板可能会有一定差距。

• 优点

• 缺点

• 氮化铝（AlN）陶瓷基板

• 成本相对较高：相比于氧化铝陶瓷基板，由于氮化铝原料的制备、加工工艺的复杂程度所以导致成本相对较高。这使得在一些需要在成本与性能之间进行权衡的大规模量产的低功率IGBT应用场景下（如一些小型民用电器中的低功率IGBT模块），氮化铝陶瓷基板的应用可能会受到一定限制。

• 高导热率：其导热率是氧化铝陶瓷基板的7 - 10倍，具有非常高的热导率（170W以上），可以迅速将IGBT功率器件产生的热量传导出去。在高功率的IGBT应用场景（如需处理高电压大电流的电动汽车IGBT逆变器等）下，这种高效的散热能力可以有效避免IGBT芯片因过热而降低性能或产生故障，大大提高了IGBT功率器件的工作效率和使用寿命。

• 电气性能良好：氮化铝陶瓷基板有着较高的绝缘电阻、绝缘耐压，同时介电常数更低。这使得在处理高电压和大电流的IGBT功率器件中，能够更好地实现电气绝缘和信号传输，减少漏电和电气干扰现象的发生，保证电路的完整性和稳定性。

• 与硅片匹配的热膨胀系数：其热膨胀系数与硅片近似匹配，当IGBT功率器件在温度变化的工作环境下运行时，芯片与氮化铝陶瓷基板之间的内部应力能够有效降低，有利于维持芯片与基板之间的良好连接，保护键合线以及芯片本身，提高整个IGBT功率器件的可靠性，特别是在对可靠性要求较高的工业控制系统中的IGBT功率器件。

• 综合性能较好：从载流量来看，较适合在高功率、高电流产品的IGBT应用上。且具有无氧铜的高导电性和优异的焊接性能，是IGBT模块封装的关键基础材料，提高了高压IGBT模块的可靠性。这些综合特性令氮化铝陶瓷基板成为高压IGBT模块封装的首选材料之一，适合众多高压和高功率密度的IGBT功率器件封装需求。

• 优点

• 缺点

• 氮化硅（Si3N4）陶瓷基板

• 可能的成本劣势：从成本方面来看，如果没有大规模的生产和技术工艺的进一步优化，相比于氧化铝陶瓷基板，其成本可能也相对较高。这在一定程度上可能限制其在一些对成本要求很严格的中低功率IGBT功率器件中的应用。同时其金属化价格是白板基板价格的3倍以上，较高的成本也会成为其广泛应用的一个挑战，特别是对于产量较大但利润较低的一些基础工业应用中的IGBT功率器件。

• 卓越的可靠性：具有高的机械强度，包括抗弯强度大，能承受一定的外力冲击，在机械性能方面还具有优异的耐高温性能、散热特性和超高的功率密度等优势。在一些高温环境或者对可靠性要求极高的IGBT功率器件（如航天航空中的大功率IGBT转换器等）应用场景下表现出色，能够保持稳定的性能，确保设备的可靠运行。

• 较高的载流能力和良好传热性：有着较高的载流能力，可以满足大功率IGBT功率器件大电流传输的需求；良好的传热性有助于芯片热量的快速传导。加上热膨胀系数（2.4ppm/K）较小并且与硅芯片（4ppm/K）接近，在芯片 - 基板结合中，可以减少因热膨胀系数差异产生的内部应力，避免诸如键合线开裂等故障的出现，从而提高IGBT功率器件的稳定性和寿命，这在需要长期稳定运行的IGBT功率器件应用，如智能电网中的大型IGBT功率转换装置方面有着重要意义。

• 匹配第三代半导体材料：氮化硅基板很适合与第三代半导体材料配合使用，例如其热膨胀系数与第3代半导体衬底SiC晶体接近，使得它作为第三代SiC半导体功率器件的高导热基板材料时能够与SiC晶体材料匹配更稳定，是第三代SiC半导体功率器件高导热基板材料的首选。在一些前沿的高功率密度、高电压的IGBT功率器件（如电动汽车最新研发的高功率驱动模块）中具有不可替代的优势。

• 优点

• 缺点

陶瓷基板在IGBT功率器件应用的未来发展趋势

• 高性能陶瓷基板的需求增长

• 随着IGBT应用拓展对基板要求提高：随着IGBT功率器件在更多领域（如电动汽车大功率电机控制、高速列车的牵引系统、超大型数据中心的电力管理等）的大规模应用以及应用场景越来越向高功率、高电压、高可靠性方向发展，对陶瓷基板的性能要求也会不断提高。例如在电动汽车未来向更高续航里程、更强动力性能发展的过程中，需要IGBT功率器件具备更高的功率处理能力和散热性能，那么陶瓷基板也需要相应地拥有更高的导热率、更好的热膨胀系数匹配性等优良性能来满足要求，这会促使高性能陶瓷基板的需求持续增长。

• 产业链的协同发展推动高性能基板需求：从产业链来看，IGBT功率器件制造商、电子设备制造商等上游企业的发展会不断推动陶瓷基板向高性能方向发展。因为他们在对终端产品不断提升性能的同时，也对作为重要组件的陶瓷基板提出更高要求，这将带动整个陶瓷基板产业链向高性能陶瓷基板的研发和生产方向倾斜，使市场对高性能陶瓷基板的需求不断增大。

• 工艺技术的不断创新

• 改进现有的陶瓷基板工艺：目前较为常见的陶瓷散热基板工艺（HTCC、LTCC、DBC、DPC、AMB等）会持续改进。比如DBC工艺可能会进一步优化铜箔和陶瓷基片的键合方式，提高键合强度，增强产品在高温等恶劣条件下的稳定性；而AMB工艺可能会在活性金属焊料的成分优化、降低制备成本等方面取得进展。以AMB工艺制备的Si3N4陶瓷基板为例，目前尽管其综合性能良好，但工艺复杂导致成本较高，如果能在工艺上创新，实现工艺简化和成本降低，就更容易在更多IGBT功率器件领域中得到广泛应用。

• 探索新的陶瓷基板制备工艺：科研人员也会探索新型的陶瓷基板制备工艺。例如开发新的烧结技术，以获得更加致密、导热性能更好的陶瓷基片；研究新型的陶瓷 - 金属复合技术，使陶瓷基板的金属层与陶瓷层之间的结合更加紧密、导电性更好。这些新的工艺技术一旦成熟，将会突破现有的技术瓶颈，推动陶瓷基板在IGBT功率器件应用中的发展进入新阶段。

• 新型陶瓷材料的开发与应用

• 满足特定需求的陶瓷材料研发：为了满足IGBT功率器件在特殊环境（如高温、强电磁辐射等）下的使用以及特定功能（如超高速信号传输等）需求，研究人员会研发新型的陶瓷材料。例如开发导热率更高、热膨胀系数更加匹配IGBT芯片且具备良好抗电磁干扰能力的陶瓷材料，这类材料将在新一代的高性能IGBT功率器件封装中发挥关键作用。

• 多功能陶瓷材料的探索：除了基础的散热、绝缘等功能，探索具备更多功能的陶瓷材料也是发展趋势之一。例如，开发既具有优秀散热性又具有高绝缘性同时还能实现一定自我修复功能（如在一定程度的微小裂纹发生时能够自动愈合还原性能）的陶瓷材料，应用在对安全性和可靠性要求极高的IGBT功率器件（如航空航天电源管理系统中的IGBT模块）中，这种多功能陶瓷材料的应用有望提升IGBT功率器件的整体性能并降低故障风险。

IGBT芯片封装清洗剂选择：

水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

合明科技研发的水基清洗剂配合合适的清洗工艺能为芯片封装前提供洁净的界面条件。

合明科技运用自身原创的产品技术，满足芯片封装工艺制程清洗的高难度技术要求，打破国外厂商在行业中的垄断地位，为芯片封装材料全面国产自主提供强有力的支持。

推荐使用合明科技水基清洗剂产品。