IGBT模塊中不同金屬化方法覆銅氮化鋁陶瓷基板的可靠性研究

侯美珍

摘要：針對(duì)氮化鋁陶瓷基板的IGBT應(yīng)用展開分析，著重對(duì)不同金屬化方法制備的覆銅AlN基板進(jìn)行可靠性進(jìn)行研究。通過對(duì)比厚膜法、薄膜法、直接覆銅法和活性金屬釬焊法金屬化AlN基板的剝離強(qiáng)度、熱循環(huán)、功率循環(huán)，分析結(jié)果可知，活性金屬釬焊法制備的AlN覆銅基板優(yōu)于其他工藝基板，剝離強(qiáng)度25 MPa，（-40～150）℃熱循環(huán)達(dá)到1500次，能耐1200 A/3.3 kV功率循環(huán)測(cè)試7萬(wàn)次，滿足IGBT模塊對(duì)陶瓷基板可靠性需求。

關(guān)鍵詞：IGBT；AlN陶瓷基板；金屬化；可靠性應(yīng)用

0引言

在電力電子的應(yīng)用中，大功率電力電子器件 IGBT 是實(shí)現(xiàn)能源控制與轉(zhuǎn)換的核心，廣泛應(yīng)用于高速鐵路、智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車與新能源裝備等領(lǐng)域[1-2]。隨著能量密度提高，功率器件對(duì)陶瓷覆銅基板的散熱能力和可靠性的要求越來越高。目前的陶瓷基板材料主要有：Al2O3、ALN、Si3N4、BeO、SiC等[3-4]。其中 Al2O3陶瓷開發(fā)最早，技術(shù)最為成熟，成本最低，應(yīng)用最廣泛，但 Al2O3陶瓷的熱導(dǎo)率僅為17～25 W/（m ·K），且與 Si 及 GaAs 等半導(dǎo)體材料的熱膨脹系數(shù)匹配性較差，限制了其在高頻、大功率、高集成電路中的使用。SiC陶瓷基板的熱導(dǎo)率高，熱膨脹系數(shù)與 Si 最為相近，但其介電性能（εr=42）較差，燒結(jié)損耗大、難以致密，成本高，限制了其大批量應(yīng)用。Si3N4雖然強(qiáng)度、韌性高、可靠性高，以其等優(yōu)異的綜合熱力學(xué)性能成為較有前途的大功率候選材料之一，但多晶 Si3N4陶瓷在室溫下的熱導(dǎo)率均較低，且關(guān)鍵技術(shù)都掌握在日本，限制了在國(guó)內(nèi) Si3N4基板在 IGBT 組件中的應(yīng)用。BeO的熱導(dǎo)率雖與AlN相當(dāng)，但熱膨脹系數(shù)過高，且BeO粉體有毒性，吸入人體后會(huì)導(dǎo)致慢性鈹肺病，世界上大多數(shù)國(guó)家早已停止使用BeO。……