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規(guī)模達84億美元的IGBT要用哪些陶瓷基板

31 2023-03-28
IGBT陶瓷基板

IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)俗稱電力電子裝置的“CPU”,作為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),在軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動汽車與新能源裝備等領域應用極廣。

1、IGBT增長將拉動陶瓷基板需求


IGBT是現(xiàn)代電力電子器件中的主導型器件,是國際上公認的電力電子技術第三次革命最具代表性的產(chǎn)品。IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷軌蚋鶕?jù)信號指令來調(diào)節(jié)電路中的電壓、電流、頻率、相位等,廣泛應用軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動汽車與新能源裝備等領域,可想而知它有多么重要。

據(jù)Yole 數(shù)據(jù),2020~2026 全球IGBT 市場將從54 億美元增至84 億美元,CAGR 7.5%。其中工業(yè)應用與家電占比最大,合計51.19%,電動汽車與充電樁增速最快,2020-2026年CAGR超20%。IGBT在新能源汽車中的成本約占整車成本的7%-10%,是除電池以外成本第二高的元件,也是決定整車能源效率的關鍵器件。隨著和能源汽車的大量需求和不斷滲透,全球IGBT市場規(guī)模在未來幾年時間仍將繼續(xù)保持穩(wěn)定增長的勢頭。

工控領域、電源行業(yè)、家電行業(yè)、新能源汽車及光伏類IGBT快速增長大大背景下,陶瓷基板特別是高性能散熱基板的需求將與日俱增。


2、IGBT模塊結構及功能

IGBT封裝示意圖

它其實只是指甲蓋那么大的小方塊,但別看體積小,能量卻很大。它是采用IC驅動等各種驅動保護電路,然后利用新型封裝技術,最終實現(xiàn)高性能的IGBT芯片。這其中它還將強電流、高壓應用和快速終端設備用垂直功率自然進化,達到較低的壓降。


3、IGBT會用到哪些陶瓷基板?


IGBT模塊是由不同的材料層構成,如金屬,陶瓷以及高分子聚合物以及填充在模塊內(nèi)部用來改善器件相關熱性能的硅膠。

 

陶瓷基片方面主要有氧化鋁、氮化鋁、氮化硅等;覆銅板主要是DBC、DPC、AMB。


傳統(tǒng)的IGBT模塊中,氧化鋁精密陶瓷基板是最常用的精密陶瓷基板。但由于氧化鋁精密陶瓷基片相對低的熱導率、與硅的熱膨脹系數(shù)匹配不好,并不適合作為高功率模塊封裝材料。

陶瓷基板

氮化鋁精密陶瓷基板在熱特性方面具有非常高的熱導率,散熱快;在應力方面,熱膨脹系數(shù)與硅接近,整個模塊內(nèi)部應力較低;又具有無氧銅的高導電性和優(yōu)異的焊接性能,是IGBT模塊封裝的關鍵基礎材料。提高了高壓IGBT模塊的可靠性。這些優(yōu)異的性能都使得氮化鋁覆銅板成為高壓IGBT模塊封裝的首選。


高功率IGBT模塊領域,氮化硅陶瓷覆銅板因其可以焊接更厚的無氧銅以及更高的可靠性在未來電動汽車用高可靠功率模塊中應用廣泛。

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,結合強度高(熱沖擊性好)等特點。DPC陶瓷基板由于在厚度的缺陷,在IGBT上的應用面不太廣。

 

近年來,國外采用活性金屬化焊接(AMB)技術實現(xiàn)了氮化鋁和氮化硅陶瓷與銅片的覆接。該技術制備的陶瓷覆銅板可靠性大幅提高,因此,AMB基板已成為新能源汽車、軌道交通、航空航天、風力發(fā)電等中高端IGBT主要散熱電路板。



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