技術(shù)干貨 | 羅杰斯金屬化陶瓷基板的應(yīng)用

直接鍵合銅（DBC）和活性金屬釬焊（AMB）陶瓷基板可直接用于多芯片模塊，實(shí)現(xiàn)以下電源轉(zhuǎn)換：

每種應(yīng)用均對(duì)多芯片電源模塊有特定要求，因此模塊內(nèi)部的基板種類繁多。除了其他指標(biāo)外，電壓、電流和任務(wù)剖面是針對(duì)給定應(yīng)用選擇基板時(shí)要考慮的關(guān)鍵參數(shù)。在本博客中，我們著眼于多芯片電源模塊的常見(jiàn)應(yīng)用，以了解每種技術(shù)背后的原理。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)是工業(yè)應(yīng)用和自動(dòng)化系統(tǒng)必不可少的一部分。這類設(shè)備要求精確的運(yùn)動(dòng)控制、對(duì)命令的快速響應(yīng)以及對(duì)定位要求的精確遵守（例如機(jī)器人、機(jī)床、叉車、電梯）。改變電動(dòng)機(jī)電源的頻率和電壓即可通過(guò)驅(qū)動(dòng)控制速度和轉(zhuǎn)矩。

30多年來(lái)，我們開(kāi)發(fā)出了可滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)需求的含氧化鋁（Al2O3）DBC基板的IGBT功率模塊。Al2O3 DBC基板的主要功能是承載多個(gè)芯片，通過(guò)芯片互連來(lái)形成電路并提供電隔離。經(jīng)過(guò)厚重的銅金屬化處理，該基板具有較高的載流容量，是功率轉(zhuǎn)換的最佳選擇。同時(shí)，低熱阻可消除半導(dǎo)體損耗。最后，Al2O3 DBC基板等可靠材料由于熱膨脹系數(shù)（CTE）與半導(dǎo)體器件相匹配，因此還能提高模塊的使用壽命。

對(duì)于大功率模塊，通常的做法是將多個(gè)DBC基板附著在一張底板上。底板通常由銅制成，可為預(yù)期會(huì)產(chǎn)生浪涌電流的應(yīng)用提供額外的熱容量。但是，由于底板和基板的CTE不同而產(chǎn)生的應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致焊層疲勞和分層等問(wèn)題。特別是在模塊經(jīng)受熱循環(huán)的情況下，根據(jù)循環(huán)的持續(xù)時(shí)間和重復(fù)次數(shù)，模塊的使用壽命會(huì)受到嚴(yán)重影響。因此，如果撇開(kāi)熱容量問(wèn)題，則不帶底板的模塊可能是更好的選擇。無(wú)論如何，在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用中，Al2O3 DBC基板的大規(guī)模生產(chǎn)均提供了極具吸引力的性價(jià)比

空調(diào)、冰箱和洗衣機(jī)等家用電器通過(guò)逆變器來(lái)控制壓縮機(jī)電機(jī)、風(fēng)扇電機(jī)和鼓形電機(jī)。多年來(lái)，功率轉(zhuǎn)換工作一直由分立器件完成，因?yàn)檫@種解決方案既便宜又充分。但是，對(duì)效率、可控性和小型化的日益增長(zhǎng)的要求促使系統(tǒng)制造商紛紛采用小型多芯片模塊。這些小型多芯片模塊由多家制造商按標(biāo)準(zhǔn)尺寸生產(chǎn)，并且比采用分立器件的現(xiàn)有解決方案更加可靠。這一細(xì)分市場(chǎng)的成本敏感度仍然比較高。因此，根據(jù)模塊的額定電流和輸入電壓，可使用具有最佳性價(jià)比的絕緣金屬基板（IMS）或氧化鋁（Al2O3）DBC基板作為生產(chǎn)原料。

功率模塊可廣泛用于各種將清潔能源（例如，光伏和風(fēng)能）轉(zhuǎn)換為商用電力的應(yīng)用。盡管兩種可再生能源都具有極高的轉(zhuǎn)換效率要求，但在其他方面的要求卻各有不同。

一方面，光伏逆變器在濕度和低系統(tǒng)成本方面有極高的魯棒性要求，但由于一般處于常開(kāi)狀態(tài)，因此對(duì)功率循環(huán)的要求較低。在住宅和商業(yè)應(yīng)用中，起始輸出功率僅幾千瓦，而對(duì)于公用設(shè)施級(jí)工廠，其輸出功率可擴(kuò)展到兆瓦范圍。分立設(shè)備是10kW以下應(yīng)用的首選。輸出功率更高的系統(tǒng)可根據(jù)功率范圍使用帶或不帶底板的功率模塊。因此，Al2O3 DBC基板依然是這類應(yīng)用的最佳技術(shù)選擇。

另一方面，風(fēng)力渦輪機(jī)的額定功率也處于兆瓦范圍。由于空間有限，這類設(shè)備具有極高的功率密度要求。此外，功率模塊在可變風(fēng)速下運(yùn)行，會(huì)承受較大的功率循環(huán)應(yīng)力，同時(shí)還必須在長(zhǎng)達(dá)25年的運(yùn)行中不出現(xiàn)任何故障。為此，我們利用強(qiáng)大的連接技術(shù)和可靠材料（例如摻雜氧化鋯的Al2O3 DBC基板）開(kāi)發(fā)出了帶底板的大功率模塊，以滿足必要的使用壽命要求。

所有列車均需要功率逆變器來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，但每輛列車的逆變器數(shù)量、電壓和電流會(huì)隨列車類型（有軌電車、地鐵、區(qū)域列車或高鐵）而異。鐵路牽引需要極高功率的模塊：電壓> 1.7kV，功率范圍為100kW~1-2MW。必須采用厚重的陶瓷基板來(lái)提供足夠的電絕緣——盡管這會(huì)增加熱阻。所增加的熱阻可以通過(guò)導(dǎo)熱性更好的材料來(lái)抵消。因此，厚重（0.63mm及以上）的氮化鋁（AlN）通常是優(yōu)選材料。

汽車可能會(huì)給電力電子領(lǐng)域帶來(lái)激動(dòng)人心的機(jī)遇，因?yàn)榛旌蟿?dòng)力和電動(dòng)汽車市場(chǎng)有望快速增長(zhǎng)。目前正在開(kāi)發(fā)許多新的功率模塊平臺(tái)，以滿足這一細(xì)分市場(chǎng)的需求。但是，沒(méi)有“一刀切”的解決方案，幾乎不存在能覆蓋所有潛在汽車應(yīng)用范圍的標(biāo)準(zhǔn)包裝。

Al2O3和摻雜氧化鋯的Al2O3 DBC基板足以滿足60V以下的低壓應(yīng)用，例如輕度混合動(dòng)力汽車中的皮帶起動(dòng)發(fā)電機(jī)。盡管隨著電氣化水平的提高，輸出功率要求以及功率密度、功率循環(huán)和魯棒性要求均不斷提高。因此，需要新的材料和接合技術(shù)來(lái)改善功率半導(dǎo)體器件的散熱。氮化硅（Si3N4）AMB基板是這類應(yīng)用的完美選擇。但Si3N4的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于Al2O3。即便如此，Si3N4 AMB基板仍具有出色的機(jī)械性能，并且可提供厚度高達(dá)0.8mm的銅金屬鍍層，以實(shí)現(xiàn)最高的載流容量和散熱度。

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