IGBT模塊用DBC基板的設(shè)計(jì)

IGBT模塊因其優(yōu)異的電氣性能，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代電力電子技術(shù)中，DBC基板的設(shè)計(jì)是IGBT模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最重要的一環(huán)，DBC基板設(shè)計(jì)的優(yōu)劣將直接影響到模塊的電氣特性，遵循一定的設(shè)計(jì)原則就可以很好的完成DBC基板的設(shè)計(jì)工作。

　　IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件,其既具有MOSFET器件驅(qū)動(dòng)功率小和開(kāi)關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn),又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點(diǎn),其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間,可正常工作于幾十kHz頻率范圍內(nèi),采用IGBT芯片封裝制造而成的IGBT模塊因此被廣泛的應(yīng)用在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中,在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。

　　在IGBT模塊封裝設(shè)計(jì)中，承載IGBT芯片以及Diode芯片的DBC基板(Direct Bonding Cooper,簡(jiǎn)稱(chēng)DBC)的設(shè)計(jì)是IGBT模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，DBC基板的材質(zhì)選擇、版圖設(shè)計(jì)等各種設(shè)計(jì)因素直接影響到IGBT模塊在完成封裝制造之后的各項(xiàng)電氣性能的優(yōu)劣。本文詳細(xì)介紹了有關(guān)IGBT模塊用DBC基板的有關(guān)基本知識(shí)、版圖設(shè)計(jì)原則，以供相關(guān)工程技術(shù)人員參考。

　　一、 DBC基板簡(jiǎn)介

　　1.1 DBC基板

　　DBC基板(Direct Bonding Copper),即直接覆銅陶瓷基板，是一種陶瓷表面金屬化技術(shù),現(xiàn)代DBC基板主要存在兩種形式，Al2O3陶瓷基板和AlN陶瓷基板。兩種陶瓷基板的表面金屬化技術(shù)大致相同，以Al2O3陶瓷基板為例[1、2]，通過(guò)在含氧的N2氣氛中,將陶瓷基板加熱至1063℃左右,使Cu箔直接焊覆在Al2O3基板上。在陶瓷表面金屬化過(guò)程中,Cu原子與O原子形成的Cu2O共晶液相，潤(rùn)濕了互相接觸的Cu箔和Al2O3陶瓷表面,同時(shí)還與Al2O3發(fā)生反應(yīng),生成Cu(AlO2)2、Cu(AlO2)等復(fù)合氧化物,充當(dāng)共晶釬焊用的焊料,使二者牢固的結(jié)合在一起，最終形成可供使用的DBC基板。AlN陶瓷基板是一種非氧化物陶瓷,覆接銅箔的關(guān)鍵是使其表面形成符合上述覆接條件的過(guò)渡層。在過(guò)渡層上覆接銅箔的機(jī)理與Al2O3陶瓷基板大致相同。

　　1.2 DBC基板的優(yōu)異特性

　　DBC基板在電力電子模塊技術(shù)中，主要是作為各種芯片(IGBT芯片、Diode芯片、電阻、SiC芯片等)的承載體，DBC基板通過(guò)表面覆銅層完成芯片部分連接極或者連接面的連接，功能近似于PCB板。

　　DBC基板具有絕緣性能好、散熱性能好、熱阻系數(shù)低、膨脹系數(shù)匹配、機(jī)械性能優(yōu)、焊接性能佳的顯著特點(diǎn)。使用DBC基板作為芯片的承載體，可有效的將芯片與模塊散熱底板隔離開(kāi)，DBC基板中間的Al2O3陶瓷層或者AlN陶瓷層可有效提高模塊的絕緣能力(陶瓷層絕緣耐壓>2.5KV)。DBC基板具有良好的導(dǎo)熱性，熱導(dǎo)率為20-260W/mK，IGBT模塊在運(yùn)行過(guò)程中，在芯片表面產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量可有效的通過(guò)DBC基板傳輸?shù)侥K散熱底板上，再通過(guò)底板上的導(dǎo)熱硅脂傳導(dǎo)于散熱器上，完成模塊的整體散熱流動(dòng)。同時(shí)，DBC基板膨脹系數(shù)同硅(芯片主要材質(zhì)為硅)相近(7.1ppm/K)，不會(huì)造成對(duì)芯片的應(yīng)力損傷，DBC基板抗剝力>20N/mm2,具有優(yōu)秀的機(jī)械性能，耐腐蝕，不易發(fā)生形變，可在較寬溫度范圍內(nèi)使用。DBC基板焊接性能良好，焊接空洞率小于5%，DBC基板具有較厚的銅層,該銅層能夠負(fù)擔(dān)很高的電流負(fù)載，在相同截面下，僅需要通常PCB板的12%的導(dǎo)電寬度，在單位體積內(nèi)能傳輸更大的功率，提高系統(tǒng)和設(shè)備的可靠性。正是由于DBC基板的各種優(yōu)良性能，DBC基板被廣泛應(yīng)用于各型IGBT模塊中，采用DBC基板的IGBT模塊具有更好的熱疲勞穩(wěn)定性和更高的集成度。

　　二、 DBC基板版圖設(shè)計(jì)

　　用于IGBT模塊等各種電力電子模塊的DBC基板主要類(lèi)型為兩類(lèi)，即Al2O3陶瓷基板和AlN陶瓷基板，兩種DBC基板在進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)過(guò)程中，遵循的基本設(shè)計(jì)原則一致。

　　2.1 DBC基板尺寸類(lèi)型

　　DBC基板廠(chǎng)家會(huì)根據(jù)用戶(hù)需求，提供不同厚度DBC基板(不同厚度絕緣陶瓷層、不同厚度銅層)，市場(chǎng)上現(xiàn)有DBC基板絕緣陶瓷層厚度類(lèi)型主要有：0.25mm、0.32mm、0.38mm、0.5mm、0.63mm、1mm等類(lèi)型，表面銅層厚度類(lèi)型主要有：0.1mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm等類(lèi)型。不同厚度絕緣陶瓷層對(duì)應(yīng)不同的絕緣等級(jí)，不同厚度銅層對(duì)應(yīng)不同的電流承載能力，用戶(hù)可根據(jù)所設(shè)計(jì)模塊的絕緣耐壓需求、電流電壓等級(jí)以及散熱設(shè)計(jì)需求采用合適類(lèi)型的DBC基板。需要注意的是，用戶(hù)在設(shè)計(jì)選擇過(guò)程中，DBC基板上下表面銅層盡量采用一致厚度，厚度差不可超越50um,且DBC基板銅層厚度不可大于陶瓷層厚度。同時(shí)，小尺寸DBC基板通常采用母板裁剪的方式制作，母板尺寸有限，各個(gè)DBC基板廠(chǎng)家所能提供的最大尺寸母板各異，因此用戶(hù)在模塊設(shè)計(jì)過(guò)程中要注意避免所設(shè)計(jì)的DBC基板版圖超越母板尺寸，造成DBC基板設(shè)計(jì)上的不合理。

　　2.2 DBC基板版圖設(shè)計(jì)原則

　　DBC基板在IGBT模塊中主要起到電氣連接承載各種芯片的作用，在進(jìn)行DBC基板版圖的設(shè)計(jì)工作中，主要需要注意以下幾個(gè)方面：

　　2.2.1 上下銅層邊緣距離陶瓷層邊緣距離尺寸

　　工程技術(shù)人員會(huì)根據(jù)所設(shè)計(jì)的模塊絕緣耐壓、模塊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、芯片排布方式等級(jí)選擇不同尺寸的基板尺寸，上下銅層邊緣距離陶瓷層邊緣距離要設(shè)計(jì)合理，以某型DBC基板為例，如圖2.2.1所示：

　　銅層邊緣與陶瓷層邊緣距離為A，A應(yīng)遵循如下設(shè)計(jì)原則A≥0.5mm±0.3mm設(shè)計(jì)尺寸過(guò)小，不符合實(shí)際，廠(chǎng)家技術(shù)能力通常無(wú)法滿(mǎn)足，且當(dāng)尺寸過(guò)小時(shí)，有可能會(huì)造成上表面銅層邊緣部位芯片與下表面銅層間放電，降低模塊絕緣耐壓等級(jí)，造成設(shè)計(jì)失敗。

　　2.2.2 上銅層版圖設(shè)計(jì)銅層線(xiàn)徑及銅層間距

　　DBC基板上銅層版圖設(shè)計(jì)是DBC基板設(shè)計(jì)的主要工作，版圖主要根據(jù)用戶(hù)模塊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、芯片排布、散熱性能等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)，在DBC基板版圖設(shè)計(jì)過(guò)程中，在滿(mǎn)足各項(xiàng)要求下，需要注意各型DBC基板有最小線(xiàn)徑要求以及銅層最小間距要求，最小線(xiàn)徑、銅層最小間距與所選擇的銅層厚度有關(guān)，線(xiàn)徑過(guò)小、銅層間距過(guò)小會(huì)造成DBC基板通流能力不足、器件間隔絕緣耐壓不足等缺陷。以某型DBC基板為例，遵循表2.2.2設(shè)計(jì)原則。

　　2.2.3 上銅層版圖設(shè)計(jì)銅層刻蝕誤差

　　現(xiàn)代DBC基板版圖通常采用激光刻蝕完成，DBC基板在進(jìn)行激光刻蝕過(guò)程中，銅層刻蝕截面為一圓弧截面，因此會(huì)存在一定的尺寸誤差，在進(jìn)行DBC基板版圖設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要額外注意，防止出現(xiàn)實(shí)物與設(shè)計(jì)不符合或者實(shí)際刻蝕工藝無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的情況，造成設(shè)計(jì)失敗。如圖2.2.3所示

　　DBC基板版圖實(shí)際尺寸為B±C,B值為工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)值，會(huì)存在一個(gè)誤差值C，該誤差值與所選擇的DBC基板銅層厚度有關(guān)，以某型DBC基板為例，應(yīng)遵循如表2.2.4原則。

　　三、 結(jié)束語(yǔ)

　　IGBT模塊已被廣泛的應(yīng)用在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中，DBC基板在電力電子模塊技術(shù)中，作為主要的芯片承載體，其重要地位不言而喻。DBC基板設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到模塊的電氣性能，遵循一定的設(shè)計(jì)原則，合理的進(jìn)行DBC基板的版圖設(shè)計(jì)，就可以完成優(yōu)秀的DBC基板設(shè)計(jì)，從而較好的完成IGBT模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。（英飛凌igbt廠(chǎng)家）