IGBT模块结构及功能

1. 陶瓷基板：进军60亿美元的IGBT市场!

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）俗称电力电子装置的“CPU”，是半导体领域里分立器件中特别重要的一个分支，作为国家战略性新兴产业，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。

1 IGBT市场规模

根据ASMC研究显示，全球IGBT市场规模预计在2022年达到60亿美元。IGBT在新能源汽车中的成本约占整车成本的7%-10%，是除电池以外成本第二高的元件，也是决定整车能源效率的关键器件。随着新能源汽车的大量需求和不断渗透，全球IGBT市场规模在未来几年时间仍将继续保持稳定增长的势头。

2 IGBT模块结构及功能

它其实只是指甲盖那么大的小方块，但别看体积小，能量却很大。它是采用IC驱动等各种驱动保护电路，然后利用新型封装技术，最终实现高性能的IGBT芯片。这其中它还将强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率自然进化，达到较低的压降。

3 IGBT会用到哪些陶瓷基板？  IGBT模块是由不同的材料层构成，如金属，陶瓷以及高分子聚合物以及填充在模块内部用来改善器件相关热性能的硅胶。陶瓷基片方面主要有氧化铝、氮化铝、氮化硅等；覆铜板主要是DBC、DPC、AMB。 传统的IGBT模块中，氧化铝精密陶瓷基板是最常用的精密陶瓷基板，具有好的绝缘性、好的化学稳定性、好的力学性能和低的价格。但由于氧化铝精密陶瓷基片相对低的热导率、与硅的热膨胀系数匹配不好，并不适合作为高功率模块封装材料。    AlN-DBC

氮化铝精密陶瓷基板在热特性方面具有非常高的热导率，散热快、高电绝缘性；在应力方面，热膨胀系数与硅接近，整个模块内部应力较低；又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。这些优异的性能都使得氮化铝覆铜板成为高压IGBT模块封装的首选。 高功率IGBT模块领域，氮化硅陶瓷覆铜板因其可以焊接更厚的无氧铜以及更高的可靠性在未来电动汽车用高可靠功率模块中应用广泛。  

DBC在IGBT模组上的应用

目前IGBT封装主要采用DBC陶瓷基板，原因在于DBC具有金属层厚度大（一般为100~600um），具有载流大、耐高温性能好及可靠性高的特点，结合强度高(热冲击性好)等特点。DPC陶瓷基板由于在厚度的缺陷，在IGBT上的应用面不太广。   近年来,国外采用活性金属化焊接（AMB）技术实现了氮化铝和氮化硅陶瓷与铜片的覆接。该技术制备的陶瓷覆铜板可靠性大幅提高,因此,AMB基板已成为新能源汽车、轨道交通、航空航天、风力发电等中高端IGBT主要散热电路板。4 IGBT增长将拉动陶瓷基板需求  IGBT是现代电力电子器件中的主导型器件，是国际上公认的电力电子技术第三次革命最具代表性的产品。IGBT是能源变换与传输的核心器件，能够根据信号指令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等，广泛应用轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域，可想而知它有多么重要。

在工控领域、电源行业、家电行业、新能源汽车及光伏类IGBT快速增长的大背景下，陶瓷基板特别是高性能散热基板的需求将与日俱增。特别是新能源汽车方面，据IDC预计，中国新能源汽车市场将在未来5年迎来强劲增长，2020年至2025年的年均复合增长率（CAGR）将达到36.1%，假设单台车IGBT用量3000元左右来预估，至2025年，国内新能源车IGBT模块市场规模为191亿左右。

转自:广州先进陶瓷展

2. IGBT模块中氮化铝陶瓷基板的应用

IGBT模块是由IGBT（绝缘栅双极型晶体管芯片）与FWD（续流二极管芯片）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品。封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上，具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点，当前市场上销售的多为此类模块化产品，并且随着节能环保等理念的推进，此类产品在市场上将越来越多见。IGBT是能源变换与传输的核心器件，俗称电力电子装置的“CPU”，作为国家战略性新兴产业，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。

IGBT模块因其优异的电气性能，已经被广泛的应用于现代电力电子技术中。氮化铝陶瓷基板的设计是IGBT模块结构设计中的一环，陶瓷基板设计的优劣将会影响到模块的电气特性，所以想要很好的完成IGBT的设计，就需要遵循氮化铝陶瓷基板的一些原则。 氮化铝陶瓷基板在电力电子模块技术中，主要是作为各种芯片(IGBT芯片、Diode芯片、电阻、SiC芯片等)的承载体，陶瓷基板通过表面覆铜层完成芯片部分连接极或者连接面的连接，功能近似于PCB板。   氮化铝陶瓷基板具有绝缘性能好、散热性能好、热阻系数低、膨胀系数匹配、机械性能优、焊接性能佳的显著特点。使用氮化铝陶瓷基板作为芯片的承载体，可以将芯片与模块散热底板隔离开，基板中间的AlN陶瓷层可有效提高模块的绝缘能力(陶瓷层绝缘耐压>2.5KV)，而且氮化铝陶瓷基板具有良好的导热性，热导率可以达到170-260W/mK。 IGBT模块在运行过程中，在芯片的表面会产生大量的热量，这些热量会通过陶瓷基板传输到模块散热底板上，再通过底板上的导热硅脂传导于散热器上，完成模块的整体散热流动。同时，氮化铝陶瓷基板膨胀系数同硅(芯片主要材质为硅)相近(7.1ppm/K)，不会造成对芯片的应力损伤，氮化铝陶瓷基板抗剥力>20N/mm2,具有优秀的机械性能，耐腐蚀，不易发生形变，可以在较宽温度范围内使用。并且焊接性能良好，焊接空洞率小于5%，正是由于氮化铝陶瓷基板的各种优良性能，所以被广泛应用于各型IGBT模块中，采用氮化铝陶瓷基板的IGBT模块具有更好的热疲劳稳定性和更高的集成度。   IGBT模块已被广泛的应用在现代电力电子技术中，氮化铝陶瓷基板在电力电子模块技术中，作为芯片承载体。陶瓷基板设计的优劣直接影响到模块的电气性能，因此遵循一定的设计原则，合理的进行基板的版图设计，就可以完成优秀的陶瓷基板设计，从而较好的完成IGBT模块的结构设计。

氮化铝功能陶瓷覆铜板的优点？

氮化铝功能陶瓷覆铜板既具有陶瓷的高导热性、高电绝缘性、高机械强度、低膨胀等特性，又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。

氮化铝功能陶瓷覆铜板集合了功率电子封装材料所具有的各种优点：

1)陶瓷部分具有优良的导热耐压特性;

2)铜导体部分具有极高的载流能力;

3)金属和陶瓷间具有较高的附着强度和可靠性;

4)便于刻蚀图形，形成电路基板;

5)焊接性能优良，适用于铝丝键合。

审核编辑 ：李倩