絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是電力電子領域中最重要的大功率器件，大規模應用于電動汽車、電力機車等領域。陶瓷覆銅板既具有陶瓷的高導熱性、高電絕緣性、高機械強度、低膨脹等特性，又具有無氧銅金屬的高導電性和優異的焊接性能，是IGBT功率模塊封裝的不可或缺的關鍵基礎材料。本文介紹了陶瓷覆銅板中陶瓷基板材料和覆銅技術的研究現狀，并展望了陶瓷覆銅板在下一代功率模塊上的應用前景。

　　絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是在金屬氧化物場效應晶體管(MOSFET)和雙極晶體管的基礎上發展起來的一種新型復合功率器件，具有輸入阻抗大、驅動功率小、開關速度快、工作頻率高、飽和壓降低、安全工作區大和可耐高電壓和大電流等一系列優點，大規模應用于電動汽車、電力機車里的電機驅動以及并網技術、儲能電站、工業領域的高壓大電流場合的交直流電轉換和變頻控制等領域，是電力電子領域中最重要的大功率器件，是綠色經濟的核“芯”。

　　但由于IGBT技術門檻較高，國內芯片和封裝技術一直沒有獲得很好的突破，導致國內IGBT市場一直被歐美日等企業所壟斷。當今國際上IGBT模塊技術已經發展到了第五代，除了芯片技術外，封裝技術也非常關鍵，新的封裝材料和新的封裝技術層出不窮。對于軌道交通、電動汽車用的高壓、大電流、高功率IGBT模塊來說，散熱和可靠性是其必須解決的關鍵問題。

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

　　陶瓷覆銅板集合了功率電子封裝材料所具有的各種優點：①陶瓷部分具有優良的導熱耐壓特性；②銅導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度和可靠性；④便于刻蝕圖形，形成電路基板；⑤焊接性能優良，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的研究現狀，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用前景。

1、陶瓷基板材料研究現狀

　　大功率密度電子封裝中所產生的熱量主要是通過陶瓷覆銅板傳導到外殼而散發出去的，而由于無氧銅具有較高的熱導率，陶瓷覆銅板導熱性能的決定因素為陶瓷基板材料的性能。目前，已應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、好的化學穩定性、好的力學性能和低的價格，但由于氧化鋁陶瓷基片低的熱導率、與硅的熱膨脹系數匹配不好。作為高功率模塊封裝材料，氧化鋁材料的應用前不容樂觀。氮化鋁基板具有高的熱導率和與硅、碳化硅材料相匹配的熱膨脹系數，是較為理想的陶瓷基板材料。目前，氮化鋁陶瓷基板已經成為高端功率模塊的首選陶瓷基板材料。然而，無論是氧化鋁還是氮化鋁陶瓷基板，其抗彎強度和斷裂韌性都相對較低，導致焊接無氧銅后在熱循環過程中易于開裂，影響整個功率模塊的可靠性。

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度，因此具有比氮化鋁高得多的可靠性，尤其是高強度可以實現其與厚銅基板的覆接，大幅提高基板的熱性能。同時，β-Si3N4陶瓷具有潛在的較高熱導率(200～320 W/m·K)，但是其微觀結構更為復雜，對聲子的散射較大，故熱導率較低，限制了其作為功率模塊基板材料的應用。因此，目前更多的研究關注于如何提高氮化硅陶瓷的熱導率。高導熱陶瓷應具備以下條件：平均原子量小；原子鍵合強度高；晶體結構較為簡單；晶格非諧性振動低。

　　基于此機理，提高氮化硅陶瓷熱導率的方法包括：①β-Si3N4相晶種的引入；②燒結助劑的選擇；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。可以看出，0.635mm 厚度氮化鋁陶瓷表面最厚覆接0.3mm 無氧銅，而且可靠性不高。而氮化硅陶瓷由于具有超高的強度，0.32mm 基板能夠覆接0.5mm 無氧銅同時具有很好的可靠性。因此，對于基板材料，氮化硅基板的綜合性能最好。

表2　陶瓷覆銅板可靠性對比

3、功率模塊用陶瓷覆銅基板發展方向

　　根據以上分析可以看出，相對于氮化鋁和氧化鋁，氮化硅陶瓷覆銅板在電流承載能力、散熱能力、力學性能、可靠性等方面均具有明顯優勢。氧化鋁陶瓷覆銅板因其優良的機械電氣性能，以及低廉的價格，目前在低功率模塊封裝中仍然大量使用。但是在高功率IGBT模塊領域，由于氧化鋁覆銅板熱導率低、熱膨脹系數與硅材料的匹配性差、耐壓強度低等原因，已經越來越不適應器件的發展要求。氮化鋁陶瓷覆銅板材料因具有較高的導熱率在電力電子器件高功率模塊封裝中迅速發展起來。而氮化硅陶瓷覆銅板因其可以焊接更厚的無氧銅以及更高的可靠性在未來電動汽車用高可靠功率模塊中應用廣泛。