鋁基碳化硅（AlSiC）在IGBT上的應(yīng)用

鋁基碳化硅

大電流IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）模塊在工作時，會產(chǎn)生大量的熱。尤其是工作電流達(dá)到600A以上的IGBT模塊。類似功率模塊的封裝熱管理工藝中，考慮的目標(biāo)是消除熱結(jié)。那么，需要在芯片底部和散熱器之間的熱通道建設(shè)盡量暢通。

銅基板具有良好的導(dǎo)熱能力，但銅的熱膨脹系數(shù)接近IGBT芯片的三倍，而且IGBT芯片陶瓷襯底的面積可高達(dá)50mmx60mm，這三倍的差異在低功率模塊封裝可用陶瓷覆銅板或多層陶瓷覆銅板來過渡解決。高功率模塊如果用銅基板去承載芯片襯底同時在下方接合散熱器的話，焊接的銅基板經(jīng)受不住1000次熱循環(huán)，焊接外緣就會出現(xiàn)分層脫離。這種情況下，壓接方案相對可行。但壓接法制造出的模塊，如果長期在震動環(huán)境下使用，如軌道機(jī)車、電動汽車、飛機(jī)等，其可靠性會大幅下降。那么，如何牢固封裝高功率IGBT模塊，使其在震動、高溫、粉塵等環(huán)境下可使用呢？業(yè)界的辦法是采用AlSiC材料來制作IGBT基板。

AlSiC的典型熱膨脹系數(shù)為7～9ppm/℃，參考芯片的6 ppm/℃，如果再加上芯片下面焊接的陶瓷覆銅板，那么三倍的差異就從本質(zhì)上消除了。同時AlSiC材質(zhì)的熱導(dǎo)率可高達(dá)200～235W/mK (25℃)，比鋁合金熱導(dǎo)率還高50%。英飛凌試驗證明，采用AlSiC材料制作的IGBT基板，經(jīng)過上萬次熱循環(huán)，模塊工作良好如初，焊層完好。

鋁基碳化硅散熱件

AlSiC材料很輕，只有銅材的1/3，和鋁差不多，但抗彎強(qiáng)度卻和鋼材一樣好。這使其在抗震性能方面表現(xiàn)優(yōu)秀，超過銅基板。因此，在高功率電子封裝方面，AlSiC材料以其獨特的高熱導(dǎo)、低熱膨脹系數(shù)和抗彎強(qiáng)度的結(jié)合優(yōu)勢成為不可替代的材質(zhì)。

今天我們就來了解一下AlSiC作為IGBT的底板還有性能特點及制備方法

1、AlSiC的性能特點

鋁碳化硅（AlSiC）是鋁基碳化硅顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的簡稱，又稱碳化硅鋁或鋁硅碳。鋁碳化硅早期應(yīng)用于美軍機(jī)雷達(dá)芯片襯底，用于替代鎢銅；替代后散熱效果優(yōu)異，并且使雷達(dá)整體減重10公斤，這使AlSiC材料得到了重視。

由于其獨特的優(yōu)勢，使得AlSiC在IGBT底板應(yīng)用的滲透率快速提升：

? AlSiC具有高導(dǎo)熱率（170～200W/mK），是一般封裝材料的十倍，可將芯片產(chǎn)生的熱量及時散發(fā)，提高整個元器件的可靠性和穩(wěn)定性。

? AlSiC是復(fù)合材料，其熱膨脹系數(shù)等性能可通過改變其組成而加以調(diào)整，可調(diào)的熱膨脹系數(shù)（6.5～9.5×10-6/K），AlSiC的熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體芯片和陶瓷基片實現(xiàn)良好的匹配，能夠防止疲勞失效的產(chǎn)生，甚至可以將功率芯片直接安裝到AlSiC底板上。

? AlSiC很輕，只有銅材的1/3，和鋁差不多，但抗彎強(qiáng)度卻和鋼材一樣好。這使其在抗震性能方面表現(xiàn)優(yōu)秀，超過銅底板。

? AlSiC的比剛度是所有電子材料中最高的，是鋁的3倍，是W-Cu和Kovar的5倍，是銅的25倍，另外AlSiC的抗震性比陶瓷好，因此是惡劣環(huán)境（震動較大，如航天、汽車等領(lǐng)域）下的首選材料。

? AlSiC可以大批量加工，但加工的工藝取決于碳化硅的含量，可以用電火花、金剛石、激光等加工。

? AlSiC可以鍍鎳、金、錫等，表面也可以進(jìn)行陽極氧化處理。

? 金屬化的陶瓷基片可以釬焊到鍍好的AlSiC底板上，用粘結(jié)劑、樹脂可以將印制電路板芯與AlSiC粘合。

? AlSiC本身具有較好的氣密性。但是，與金屬或陶瓷電子封裝后的氣密性取決于合適的鍍層和焊接。

? AlSiC的物理性能及力學(xué)性能都是各向同性的。

2、AlSiC底板的制備方法

合理選擇制備工藝對復(fù)合材料的性能至關(guān)重要，在電子封裝中，SiC 體積占比為 55%~80%的 AlSiC才能滿足要求。AlSiC 基板的制備方法由SiC預(yù)制件制備和熔融鋁合金液浸滲兩步組成。

其中，SiC預(yù)制件的制備是制備AlSiC復(fù)合材料的首要也是最重要的環(huán)節(jié)。目前預(yù)制件的制備方法主要有模壓成型、美國AFT公司的粉末注射成形和美國CPC公司的Quickeset?注射成形技術(shù)。模壓成型法適用于一些結(jié)構(gòu)簡單的構(gòu)件，成型模具制造簡單、操作方便、周期短、無污染、效率高，便于實現(xiàn)自動化生產(chǎn) ，較適用于SiC預(yù)制件的制備。熔融鋁合金液浸滲方法主要有：擠壓鑄造、真空壓力浸滲、真空輔助壓力鑄造和無壓浸滲。