铝碳化硅（AlSiC）基板在IGBT中的应用

IGBT 作为一种功率半导体器件，广泛应用于新能源汽车、白色家电、轨道交通、清洁发电、智能电网等领域。IGBT模块内部结构主要由芯片、陶瓷覆铜基板、键合线、底板、散热器、导热胶、焊料层、有机硅凝胶、塑封外壳等组成。高功率IGBT散热问题一直是制约IGBT发展的主要难点之一。（艾邦半导体网：https://www.ab-sm.com）

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）。今天我们就来了解一下AlSiC作为IGBT的底板还有哪些优点。

1、AlSiC的性能特点

 

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。

由于其独特的优势，使得AlSiC在IGBT底板应用的渗透率快速提升：

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。

2、AlSiC底板的制备方法

 

合理选择制备工艺对复合材料的性能至关重要，在电子封装中，SiC 体积占比为 55%~80%的 AlSiC才能满足要求。AlSiC 基板的制备方法由SiC预制件制备和熔融铝合金液浸渗两步组成。其中，SiC预制件的制备是制备AlSiC复合材料的首要也是最重要的环节。目前预制件的制备方法主要有模压成型、美国AFT公司的粉末注射成形和美国CPC公司的Quickeset™注射成形技术。模压成型法适用于一些结构简单的构件，成型模具制造简单、操作方便、周期短、无污染、效率高，便于实现自动化生产 ，较适用于SiC预制件的制备。熔融铝合金液浸渗方法主要有：挤压铸造、真空压力浸渗、真空辅助压力铸造和无压浸渗。

3、AlSiC底板在IGBT的应用

 

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）。

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。

如图所示，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，英飞凌试验证明，采用AlSiC材料制作的IGBT底板，经过上万次热循环，模块工作良好如初，焊层完好。

目前AlSiC底板相关生产企业有：苏州思萃、西安明科、西安创正、西安法迪、富仕多、西安晶奕、北京宝航、湖南浩威特、苏州汉汽航空、泰格尔、CPS、日本精密陶瓷、SAM等。

原文始发于微信公众号（艾邦陶瓷展）：铝碳化硅（AlSiC）基板在IGBT中的应用