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铝碳化硅基板为何在IGBT底板应用备受欢迎

172 2022-09-06
铝碳化硅基板

                                                      铝碳化硅基板为何在IGBT底板应用备受欢迎

IGBT模块中的底板发挥着形成导热通道、保证导热性能、增强模块机械性能的作用。底板材料一般用铜或者铝基碳化硅(AlSiC),铝碳化硅基板哪些优势适应了IGBT底板的要求呢?

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一,什么是铝碳化硅基板(AlSiC),有什么性能特点

      铝碳化硅(AlSiC)是铝基碳化硅颗粒增强复合材料的简称,又称碳化硅铝或铝硅碳。铝碳化硅早期应用于美军机雷达芯片衬底,用于替代钨铜;替代后散热效果优异,并且使雷达整体减重10公斤,这使AlSiC材料得到了重视。

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二,铝碳化硅基板有以下核心优势

    1) AlSiC具有高导热率(170~200W/mK),是一般封装材料的十倍,可将芯片产生的热量及时散发,提高整个元器件的可靠性和稳定性。

2)AlSiC是复合材料,其热膨胀系数等性能可通过改变其组成而加以调整,可调的热膨胀系数(6.5~9.5×10-6/K),AlSiC的热膨胀系数与半导体芯片和陶瓷基片实现良好的匹配,能够防止疲劳失效的产生,甚至可以将功率芯片直接安装到AlSiC底板上。

3) AlSiC很轻,只有铜材的1/3,和铝差不多,但抗弯强度却和钢材一样好。这使其在抗震性能方面表现优秀,超过铜底板。

4) AlSiC的比刚度是所有电子材料中最高的,是铝的3倍,是W-Cu和Kovar的5倍,是铜的25倍,另外AlSiC的抗震性比陶瓷好,因此是恶劣环境(震动较大,如航天、汽车等领域)下的首选材料。

5) AlSiC可以大批量加工,但加工的工艺取决于碳化硅的含量,可以用电火花、金刚石、激光等加工。

6) AlSiC可以镀镍、金、锡等,表面也可以进行阳极氧化处理。

7) 金属化的陶瓷基片可以钎焊到镀好的AlSiC底板上,用粘结剂、树脂可以将印制电路板芯与AlSiC粘合。

8) AlSiC本身具有较好的气密性。但是,与金属或陶瓷电子封装后的气密性取决于合适的镀层和焊接。

9) AlSiC的物理性能及力学性能都是各向同性的。

三,铝碳化硅基板的高热率和更加匹配的热膨胀系数是应用到IGBT底板的最核心的优势。

IGBT底板与散热器直接相连,最主要的作用是散热。对于底板材质,需要考虑热导率以及线膨胀系数(与芯片、陶瓷基板之间热膨胀系数的匹配)。

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AlSiC充分结合了碳化硅陶瓷和金属铝的不同优势,具有高导热性、与芯片相匹配的热膨胀系数、密度小、重量轻,以及高硬度和高抗弯强度,因此,在高功率电子封装方面,AlSiC材料以其独特的优势成为不可替代的材料。铝碳化硅基板是所以陶瓷基材里面散热效果最好的,而且热膨胀系数低,仅次于氮化硅基板。如图所示:

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如图可以看出铜具有良好的导热能力,目前常用铜底板来实现快速散热,但铜的热膨胀系数接近IGBT芯片的三倍,如果长期在震动环境下使用,如轨道机车、电动汽车、飞机等,其可靠性会大幅下降。而 AlSiC 热导率虽不如铜,但热膨胀系数更接近芯片及陶瓷基板,能够有效改善模块的热循环能力。更多铝碳化硅覆铜基板相关问题可以咨询金瑞欣特种电路。

以上内容:来自艾邦

             

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