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AMB陶瓷基板:高端IGBT模塊基板的應(yīng)用新趨勢(shì)

51 2023-08-02
AMB陶瓷基板

IGBT陶瓷襯板屬于新的工藝技術(shù),其中AMB工藝技術(shù)的陶瓷襯板也逐步應(yīng)用于新能源汽車的IGBT模塊上。IGBT散熱對(duì)于功率模塊的性能是非常重要的,目前國(guó)內(nèi)的IGBT模塊大部分還是采用DBC工藝,但隨著工作電壓、性能要求的不斷提升,AMB工藝技術(shù)的陶瓷基板能更好地解決上述痛點(diǎn)。


AMB陶瓷基板在IGBT中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

按照基板材料劃分主要為氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)和氮化硅(Si3N4)。根據(jù)實(shí)現(xiàn)陶瓷基板覆銅后再刻蝕的不同工藝,當(dāng)前較普遍的陶瓷散熱基板分為HTCC、LTCC、DBC、DPC、AMB等。AMB工藝因可靠性更優(yōu),逐漸成為主流應(yīng)用。其中Al2O3陶瓷基板主要采用DBC工藝,AlN陶瓷基板主要采用DBC和AMB工藝,Si3N4陶瓷基板更多采用AMB工藝。


AMB(活性金屬釬焊)工藝技術(shù)是DBC(直接覆銅)工藝技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。AMB陶瓷基板利用含少量活性元素的活性金屬焊料實(shí)現(xiàn)銅箔與陶瓷基片間的焊接?;钚院噶贤ㄟ^在普通金屬焊料中添加Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta等稀土元素制備,由于稀土元素具有高活性,可提高焊料熔化后對(duì)陶瓷的潤(rùn)濕性,使陶瓷表面無需金屬化就可與金屬實(shí)現(xiàn)焊接。

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)。但是,DBC陶瓷基板在高溫服役過程中,往往會(huì)因?yàn)殂~和陶瓷之間的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力,從而導(dǎo)致銅層從陶瓷表面剝離,因此傳統(tǒng)的DBC陶瓷基板已經(jīng)難以滿足高溫、大功率、高散熱、高可靠性的封裝要求。


相比之下,AMB技術(shù)實(shí)現(xiàn)了氮化鋁和氮化硅陶瓷與銅片的覆接,相比DBC襯板有更優(yōu)的熱導(dǎo)率/銅層結(jié)合力/可靠性等,可大幅提高陶瓷基板可靠性,更適合大功率大電流的應(yīng)用場(chǎng)景,逐步成為中高端IGBT模塊散熱電路板主要應(yīng)用類型,在汽車領(lǐng)域,還在航天、軌道交通、工業(yè)電網(wǎng)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。據(jù)資料顯示,意法半導(dǎo)體,比亞迪半導(dǎo)以及時(shí)代電氣都確定了AMB氮化硅基板上車的技術(shù)路線。

選用AMB-SiN陶瓷基板的優(yōu)勢(shì)在于:高熱導(dǎo)率、高載流能力以及低熱膨脹系數(shù),其性能優(yōu)越有望成為IGBT和SiC功率器件基板應(yīng)用新趨勢(shì)。

AMB陶瓷基板市場(chǎng)發(fā)展

隨著SiCMOS開始供應(yīng)主驅(qū)逆變器,由于逆變器所需SiCMOS面積變大,對(duì)于陶瓷襯板的產(chǎn)能消耗量快速增長(zhǎng)。碳化硅車型滲透率預(yù)計(jì)2024年快速提升,新能源汽車領(lǐng)域成為AMB陶瓷基板最大需求領(lǐng)域:全球碳化硅模塊用量最多的是特斯拉,Model3開始全系標(biāo)配碳化硅MOSFET模塊替代IGBT作為逆變器功率器件,碳化硅模塊都必須采用AMB-氮化硅的陶瓷封裝材料。

AMB陶瓷襯板在IGBT里面成本占比15-20%,假設(shè)50%滲透率下,預(yù)計(jì)2025年全球1000億IGBT/SIC市場(chǎng)對(duì)應(yīng)100億+的AMB陶瓷基板市場(chǎng)空間。IHS預(yù)計(jì)SiC功率器件市場(chǎng)規(guī)模有望2027年達(dá)到100億美元,SiCMOSFET使用基本都是AMB襯板,AMB襯板有望隨著SiCMOS規(guī)模化而放量。

AMB陶瓷基板憑借優(yōu)良的導(dǎo)熱性能和抗彎強(qiáng)度,目前已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域大功率IGBT模塊封裝中開始使用,例如電網(wǎng)領(lǐng)域和動(dòng)車領(lǐng)域。此外,以Si基為主的IGBT模塊在具有高導(dǎo)熱性、高可靠性、高功率等要求、對(duì)成本不敏感的軌道交通、工業(yè)級(jí)、車規(guī)級(jí)領(lǐng)域正逐漸采用AMB陶瓷襯板替代原有的DBC陶瓷襯板。如果考慮到新能源汽車領(lǐng)域放量,疊加工業(yè)、軍工和光伏領(lǐng)域需求持續(xù)增長(zhǎng),預(yù)計(jì)2027年全球AMB基板需求將達(dá)到90億元左右。


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