絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是電力電子領(lǐng)域中最重要的大功率器件，大規(guī)模應(yīng)用于電動(dòng)汽車、電力機(jī)車等領(lǐng)域。陶瓷覆銅板既具有陶瓷的高導(dǎo)熱性、高電絕緣性、高機(jī)械強(qiáng)度、低膨脹等特性，又具有無(wú)氧銅金屬的高導(dǎo)電性和優(yōu)異的焊接性能，是IGBT功率模塊封裝的不可或缺的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。本文介紹了陶瓷覆銅板中陶瓷基板材料和覆銅技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并展望了陶瓷覆銅板在下一代功率模塊上的應(yīng)用前景。

　　絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是在金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)和雙極晶體管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型復(fù)合功率器件，具有輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快、工作頻率高、飽和壓降低、安全工作區(qū)大和可耐高電壓和大電流等一系列優(yōu)點(diǎn)，大規(guī)模應(yīng)用于電動(dòng)汽車、電力機(jī)車?yán)锏碾姍C(jī)驅(qū)動(dòng)以及并網(wǎng)技術(shù)、儲(chǔ)能電站、工業(yè)領(lǐng)域的高壓大電流場(chǎng)合的交直流電轉(zhuǎn)換和變頻控制等領(lǐng)域，是電力電子領(lǐng)域中最重要的大功率器件，是綠色經(jīng)濟(jì)的核“芯”。

　　但由于IGBT技術(shù)門檻較高，國(guó)內(nèi)芯片和封裝技術(shù)一直沒有獲得很好的突破，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)IGBT市場(chǎng)一直被歐美日等企業(yè)所壟斷。當(dāng)今國(guó)際上IGBT模塊技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了第五代，除了芯片技術(shù)外，封裝技術(shù)也非常關(guān)鍵，新的封裝材料和新的封裝技術(shù)層出不窮。對(duì)于軌道交通、電動(dòng)汽車用的高壓、大電流、高功率IGBT模塊來(lái)說(shuō)，散熱和可靠性是其必須解決的關(guān)鍵問題。

　　陶瓷覆銅板是將高導(dǎo)電無(wú)氧銅在高溫下直接鍵合到陶瓷表面而形成的一種復(fù)合金屬陶瓷基板，它既具有陶瓷的高導(dǎo)熱性、高電絕緣性、高機(jī)械強(qiáng)度、低膨脹等特性，又具有無(wú)氧銅金屬的高導(dǎo)電性和優(yōu)異的焊接性能，并能像PCB線路板一樣刻蝕出各種圖形，是電力電子領(lǐng)域功率模塊封裝連接芯片與散熱襯底的關(guān)鍵材料。

　　陶瓷覆銅板集合了功率電子封裝材料所具有的各種優(yōu)點(diǎn)：①陶瓷部分具有優(yōu)良的導(dǎo)熱耐壓特性；②銅導(dǎo)體部分具有極高的載流能力；③金屬和陶瓷間具有較高的附著強(qiáng)度和可靠性；④便于刻蝕圖形，形成電路基板；⑤焊接性能優(yōu)良，適用于鋁絲鍵合。

　　本文介紹了陶瓷覆銅板中陶瓷基板材料和覆銅技術(shù)的研究現(xiàn)狀，指出高端功率模塊目前采用的陶瓷覆銅板的主流陶瓷基板材料和覆銅工藝，并展望了陶瓷覆銅板在下一代功率模塊上的應(yīng)用前景。

1、陶瓷基板材料研究現(xiàn)狀

　　大功率密度電子封裝中所產(chǎn)生的熱量主要是通過(guò)陶瓷覆銅板傳導(dǎo)到外殼而散發(fā)出去的，而由于無(wú)氧銅具有較高的熱導(dǎo)率，陶瓷覆銅板導(dǎo)熱性能的決定因素為陶瓷基板材料的性能。目前，已應(yīng)用作為陶瓷覆銅板基板材料共有三種陶瓷，分別是氧化鋁陶瓷基板、氮化鋁陶瓷基板和氮化硅陶瓷基板，表1列出了三種基板材料的性能。氧化鋁基陶瓷基板是最常用的陶瓷基板，由于它具有好的絕緣性、好的化學(xué)穩(wěn)定性、好的力學(xué)性能和低的價(jià)格，但由于氧化鋁陶瓷基片低的熱導(dǎo)率、與硅的熱膨脹系數(shù)匹配不好。作為高功率模塊封裝材料，氧化鋁材料的應(yīng)用前不容樂觀。氮化鋁基板具有高的熱導(dǎo)率和與硅、碳化硅材料相匹配的熱膨脹系數(shù)，是較為理想的陶瓷基板材料。目前，氮化鋁陶瓷基板已經(jīng)成為高端功率模塊的首選陶瓷基板材料。然而，無(wú)論是氧化鋁還是氮化鋁陶瓷基板，其抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性都相對(duì)較低，導(dǎo)致焊接無(wú)氧銅后在熱循環(huán)過(guò)程中易于開裂，影響整個(gè)功率模塊的可靠性。

表1　陶瓷覆銅基板的物理性能

　　氮化硅陶瓷具有低的2.4倍于氧化鋁和氮化鋁的抗彎強(qiáng)度，因此具有比氮化鋁高得多的可靠性，尤其是高強(qiáng)度可以實(shí)現(xiàn)其與厚銅基板的覆接，大幅提高基板的熱性能。同時(shí)，β-Si3N4陶瓷具有潛在的較高熱導(dǎo)率(200～320 W/m·K)，但是其微觀結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，對(duì)聲子的散射較大，故熱導(dǎo)率較低，限制了其作為功率模塊基板材料的應(yīng)用。因此，目前更多的研究關(guān)注于如何提高氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率。高導(dǎo)熱陶瓷應(yīng)具備以下條件：平均原子量小；原子鍵合強(qiáng)度高；晶體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單；晶格非諧性振動(dòng)低。

　　基于此機(jī)理，提高氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率的方法包括：①β-Si3N4相晶種的引入；②燒結(jié)助劑的選擇；③成型工藝以及熱處理工藝。三種陶瓷材料制備的陶瓷覆銅板可靠性如表2所示�？梢钥闯�，0.635mm 厚度氮化鋁陶瓷表面最厚覆接0.3mm 無(wú)氧銅，而且可靠性不高。而氮化硅陶瓷由于具有超高的強(qiáng)度，0.32mm 基板能夠覆接0.5mm 無(wú)氧銅同時(shí)具有很好的可靠性。因此，對(duì)于基板材料，氮化硅基板的綜合性能最好。

表2　陶瓷覆銅板可靠性對(duì)比

3、功率模塊用陶瓷覆銅基板發(fā)展方向

　　根據(jù)以上分析可以看出，相對(duì)于氮化鋁和氧化鋁，氮化硅陶瓷覆銅板在電流承載能力、散熱能力、力學(xué)性能、可靠性等方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)。氧化鋁陶瓷覆銅板因其優(yōu)良的機(jī)械電氣性能，以及低廉的價(jià)格，目前在低功率模塊封裝中仍然大量使用。但是在高功率IGBT模塊領(lǐng)域，由于氧化鋁覆銅板熱導(dǎo)率低、熱膨脹系數(shù)與硅材料的匹配性差、耐壓強(qiáng)度低等原因，已經(jīng)越來(lái)越不適應(yīng)器件的發(fā)展要求。氮化鋁陶瓷覆銅板材料因具有較高的導(dǎo)熱率在電力電子器件高功率模塊封裝中迅速發(fā)展起來(lái)。而氮化硅陶瓷覆銅板因其可以焊接更厚的無(wú)氧銅以及更高的可靠性在未來(lái)電動(dòng)汽車用高可靠功率模塊中應(yīng)用廣泛。