IGBT陶瓷襯板屬于新的工藝技術,其中AMB工藝技術的陶瓷襯板也逐步應用于新能源汽車的IGBT模塊上。IGBT散熱對于功率模塊的性能是非常重要的,目前國內(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工藝技術的陶瓷基板能更好地解決上述痛點。
AMB陶瓷基板在IGBT中應用的優(yōu)勢
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)實現(xiàn)陶瓷基板覆銅后再刻蝕的不同工藝,當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)工藝技術是DBC(直接覆銅)工藝技術的進一步發(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陶瓷的潤濕性,使陶瓷表面無需金屬化就可與金屬實現(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,結合強度高(熱沖擊性好)等特點。但是,DBC陶瓷基板在高溫服役過程中,往往會因為銅和陶瓷之間的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生較大的熱應力,從而導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技術實現(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)的熱導率/銅層結合力/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用場景,逐步成為中高端IGBT模塊散熱電路板主要應用類型,在汽車領域,還在航天、軌道交通、工業(yè)電網(wǎng)領域廣泛應用。據(jù)資料顯示,意法半導體,比亞迪半導以及時代電氣都確定了AMB氮化硅基板上車的技術路線。
選用AMB-SiN陶瓷基板的優(yōu)勢在于:高熱導率、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功率器件基板應用新趨勢。
AMB陶瓷基板市場發(fā)展
隨著SiCMOS開始供應主驅(qū)逆變器,由于逆變器所需SiCMOS面積變大,對于陶瓷襯板的產(chǎn)能消耗量快速增長。碳化硅車型滲透率預計2024年快速提升,新能源汽車領域成為AMB陶瓷基板最大需求領域:全球碳化硅模塊用量最多的是特斯拉,Model3開始全系標配碳化硅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50%滲透率下,預計2025年全球1000億IGBT/SIC市場對應100億+的AMB陶瓷基板市場空間。IHS預計SiC功率器件市場規(guī)模有望2027年達到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)良的導熱性能和抗彎強度,目前已經(jīng)在工業(yè)領域大功率IGBT模塊封裝中開始使用,例如電網(wǎng)領域和動車領域。此外,以Si基為主的IGBT模塊在具有高導熱性、高可靠性、高功率等要求、對成本不敏感的軌道交通、工業(yè)級、車規(guī)級領域正逐漸采用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域放量,疊加工業(yè)、軍工和光伏領域需求持續(xù)增長,預計2027年全球AMB基板需求將達到90億元左右。