【应用】浅谈直接键合铜（DBC）和活性金属钎焊（AMB）陶瓷基板在多种领域的应用

时间： 2020-11-19 来源：ROGERS

技术问答

直接键合铜（DBC）和活性金属钎焊（AMB）陶瓷基板可直接用于多芯片模块，实现以下电源转换：

将交流电（AC）转换为直流电（DC）——亦称整流器
将直流电（DC）转换为交流电（AC）——亦称逆变器
转换直流电（DC）的电压电平——亦称直流转换器
将交流电（AC）从一个波形转换到另一个具有不同输出电压和频率的波形——亦称交流转换器

每种应用均对多芯片电源模块有特定要求，因此模块内部的基板种类繁多。除了其他指标外，电压、电流和任务剖面是针对给定应用选择基板时要考虑的关键参数。在本博客中，我们着眼于多芯片电源模块的常见应用，以了解每种技术背后的原理。

电机驱动是工业应用和自动化系统必不可少的一部分。这类设备要求精确的运动控制、对命令的快速响应以及对定位要求的精确遵守（例如机器人、机床、叉车、电梯）。改变电动机电源的频率和电压即可通过驱动控制速度和转矩。

30多年来，我们开发出了可满足电机驱动需求的含氧化铝（Al₂O₃）DBC基板的IGBT功率模块。Al₂O₃ DBC基板的主要功能是承载多个芯片，通过芯片互连来形成电路并提供电隔离。经过厚重的铜金属化处理，该基板具有较高的载流容量，是功率转换的最佳选择。同时，低热阻可消除半导体损耗。最后，Al₂O₃ DBC基板等可靠材料由于热膨胀系数（CTE）与半导体器件相匹配，因此还能提高模块的使用寿命。

对于大功率模块，通常的做法是将多个DBC基板附着在一张底板上。底板通常由铜制成，可为预期会产生浪涌电流的应用提供额外的热容量。但是，由于底板和基板的CTE不同而产生的应力可能会导致焊层疲劳和分层等问题。特别是在模块经受热循环的情况下，根据循环的持续时间和重复次数，模块的使用寿命会受到严重影响。因此，如果撇开热容量问题，则不带底板的模块可能是更好的选择。无论如何，在大多数工业应用中，Al₂O₃ DBC基板的大规模生产均提供了极具吸引力的性价比

空调、冰箱和洗衣机等家用电器通过逆变器来控制压缩机电机、风扇电机和鼓形电机。多年来，功率转换工作一直由分立器件完成，因为这种解决方案既便宜又充分。但是，对效率、可控性和小型化的日益增长的要求促使系统制造商纷纷采用小型多芯片模块。这些小型多芯片模块由多家制造商按标准尺寸生产，并且比采用分立器件的现有解决方案更加可靠。这一细分市场的成本敏感度仍然比较高。因此，根据模块的额定电流和输入电压，可使用具有最佳性价比的绝缘金属基板（IMS）或氧化铝（Al₂O₃）DBC基板作为生产原料。

功率模块可广泛用于各种将清洁能源（例如，光伏和风能）转换为商用电力的应用。尽管两种可再生能源都具有极高的转换效率要求，但在其他方面的要求却各有不同。

一方面，光伏逆变器在湿度和低系统成本方面有极高的鲁棒性要求，但由于一般处于常开状态，因此对功率循环的要求较低。在住宅和商业应用中，起始输出功率仅几千瓦，而对于公用设施级工厂，其输出功率可扩展到兆瓦范围。分立设备是10kW以下应用的首选。输出功率更高的系统可根据功率范围使用带或不带底板的功率模块。因此，Al2O3 DBC基板依然是这类应用的最佳技术选择。

另一方面，风力涡轮机的额定功率也处于兆瓦范围。由于空间有限，这类设备具有极高的功率密度要求。此外，功率模块在可变风速下运行，会承受较大的功率循环应力，同时还必须在长达25年的运行中不出现任何故障。为此，我们利用强大的连接技术和可靠材料（例如掺杂氧化锆的Al₂O₃ DBC基板）开发出了带底板的大功率模块，以满足必要的使用寿命要求。

所有列车均需要功率逆变器来驱动电机，但每辆列车的逆变器数量、电压和电流会随列车类型（有轨电车、地铁、区域列车或高铁）而异。铁路牵引需要极高功率的模块：电压>1.7kV，功率范围为100kW~1-2MW。必须采用厚重的陶瓷基板来提供足够的电绝缘——尽管这会增加热阻。所增加的热阻可以通过导热性更好的材料来抵消。因此，厚重（0.63mm及以上）的氮化铝（AlN）通常是优选材料。

汽车可能会给电力电子领域带来激动人心的机遇，因为混合动力和电动汽车市场有望快速增长。目前正在开发许多新的功率模块平台，以满足这一细分市场的需求。但是，没有“一刀切”的解决方案，几乎不存在能覆盖所有潜在汽车应用范围的标准包装。

Al₂O₃和掺杂氧化锆的Al₂O₃ DBC基板足以满足60V以下的低压应用，例如轻度混合动力汽车中的皮带起动发电机。尽管随着电气化水平的提高，输出功率要求以及功率密度、功率循环和鲁棒性要求均不断提高。因此，需要新的材料和接合技术来改善功率半导体器件的散热。氮化硅（Si₃N₄）AMB基板是这类应用的完美选择。但Si₃N₄的热导率远高于Al₂O₃。即便如此，Si₃N₄ AMB基板仍具有出色的机械性能，并且可提供厚度高达0.8mm的铜金属镀层，以实现最高的载流容量和散热度。

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