欢迎来到深圳逸盛通科技有限公司官方网站!
打开客服菜单
contact us

联系我们

英飞凌IGBT厂家 > 英飞凌IGBT模块驱动 > IGBT模块用DBC基板的设计

IGBT模块用DBC基板的设计

编辑 :

深圳逸盛通科技有限公司

时间 : 2018-09-19 21:30 浏览量 : 49

IGBT模块用DBC基板的设计

IGBT模块因其优异的电气性能,已经被广泛的应用于现代电力电子技术中,DBC基板的设计是IGBT模块结构设计中最重要的一环,DBC基板设计的优劣将直接影响到模块的电气特性,遵循一定的设计原则就可以很好的完成DBC基板的设计工作。


  IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件,其既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点,又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点,其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间,可正常工作于几十kHz频率范围内,采用IGBT芯片封装制造而成的IGBT模块因此被广泛的应用在现代电力电子技术中,在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。

  在IGBT模块封装设计中,承载IGBT芯片以及Diode芯片的DBC基板(Direct Bonding Cooper,简称DBC)的设计是IGBT模块结构设计的关键技术,DBC基板的材质选择、版图设计等各种设计因素直接影响到IGBT模块在完成封装制造之后的各项电气性能的优劣。本文详细介绍了有关IGBT模块用DBC基板的有关基本知识、版图设计原则,以供相关工程技术人员参考。

  一、 DBC基板简介

  1.1 DBC基板

  DBC基板(Direct Bonding Copper),即直接覆铜陶瓷基板,是一种陶瓷表面金属化技术,现代DBC基板主要存在两种形式,Al2O3陶瓷基板和AlN陶瓷基板。两种陶瓷基板的表面金属化技术大致相同,以Al2O3陶瓷基板为例[1、2],通过在含氧的N2气氛中,将陶瓷基板加热至1063℃左右,使Cu箔直接焊覆在Al2O3基板上。在陶瓷表面金属化过程中,Cu原子与O原子形成的Cu2O共晶液相,润湿了互相接触的Cu箔和Al2O3陶瓷表面,同时还与Al2O3发生反应,生成Cu(AlO2)2、Cu(AlO2)等复合氧化物,充当共晶钎焊用的焊料,使二者牢固的结合在一起,最终形成可供使用的DBC基板。AlN陶瓷基板是一种非氧化物陶瓷,覆接铜箔的关键是使其表面形成符合上述覆接条件的过渡层。在过渡层上覆接铜箔的机理与Al2O3陶瓷基板大致相同。


  1.2 DBC基板的优异特性

  DBC基板在电力电子模块技术中,主要是作为各种芯片(IGBT芯片、Diode芯片、电阻、SiC芯片等)的承载体,DBC基板通过表面覆铜层完成芯片部分连接极或者连接面的连接,功能近似于PCB板。


  DBC基板具有绝缘性能好、散热性能好、热阻系数低、膨胀系数匹配、机械性能优、焊接性能佳的显著特点。使用DBC基板作为芯片的承载体,可有效的将芯片与模块散热底板隔离开,DBC基板中间的Al2O3陶瓷层或者AlN陶瓷层可有效提高模块的绝缘能力(陶瓷层绝缘耐压>2.5KV)。DBC基板具有良好的导热性,热导率为20-260W/mK,IGBT模块在运行过程中,在芯片表面产生大量的热量,这些热量可有效的通过DBC基板传输到模块散热底板上,再通过底板上的导热硅脂传导于散热器上,完成模块的整体散热流动。同时,DBC基板膨胀系数同硅(芯片主要材质为硅)相近(7.1ppm/K),不会造成对芯片的应力损伤,DBC基板抗剥力>20N/mm2,具有优秀的机械性能,耐腐蚀,不易发生形变,可在较宽温度范围内使用。DBC基板焊接性能良好,焊接空洞率小于5%,DBC基板具有较厚的铜层,该铜层能够负担很高的电流负载,在相同截面下,仅需要通常PCB板的12%的导电宽度,在单位体积内能传输更大的功率,提高系统和设备的可靠性。正是由于DBC基板的各种优良性能,DBC基板被广泛应用于各型IGBT模块中,采用DBC基板的IGBT模块具有更好的热疲劳稳定性和更高的集成度。

  二、 DBC基板版图设计

  用于IGBT模块等各种电力电子模块的DBC基板主要类型为两类,即Al2O3陶瓷基板和AlN陶瓷基板,两种DBC基板在进行版图设计过程中,遵循的基本设计原则一致。

  2.1 DBC基板尺寸类型


  DBC基板厂家会根据用户需求,提供不同厚度DBC基板(不同厚度绝缘陶瓷层、不同厚度铜层),市场上现有DBC基板绝缘陶瓷层厚度类型主要有:0.25mm、0.32mm、0.38mm、0.5mm、0.63mm、1mm等类型,表面铜层厚度类型主要有:0.1mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm等类型。不同厚度绝缘陶瓷层对应不同的绝缘等级,不同厚度铜层对应不同的电流承载能力,用户可根据所设计模块的绝缘耐压需求、电流电压等级以及散热设计需求采用合适类型的DBC基板。需要注意的是,用户在设计选择过程中,DBC基板上下表面铜层尽量采用一致厚度,厚度差不可超越50um,且DBC基板铜层厚度不可大于陶瓷层厚度。同时,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,各个DBC基板厂家所能提供的最大尺寸母板各异,因此用户在模块设计过程中要注意避免所设计的DBC基板版图超越母板尺寸,造成DBC基板设计上的不合理。

  2.2 DBC基板版图设计原则


  DBC基板在IGBT模块中主要起到电气连接承载各种芯片的作用,在进行DBC基板版图的设计工作中,主要需要注意以下几个方面:

  2.2.1 上下铜层边缘距离陶瓷层边缘距离尺寸


  工程技术人员会根据所设计的模块绝缘耐压、模块结构特点、芯片排布方式等级选择不同尺寸的基板尺寸,上下铜层边缘距离陶瓷层边缘距离要设计合理,以某型DBC基板为例,如图2.2.1所示:

  

1537363630451579.

 

  铜层边缘与陶瓷层边缘距离为A,A应遵循如下设计原则A≥0.5mm±0.3mm设计尺寸过小,不符合实际,厂家技术能力通常无法满足,且当尺寸过小时,有可能会造成上表面铜层边缘部位芯片与下表面铜层间放电,降低模块绝缘耐压等级,造成设计失败。


  2.2.2 上铜层版图设计铜层线径及铜层间距


  DBC基板上铜层版图设计是DBC基板设计的主要工作,版图主要根据用户模块结构特点、芯片排布、散热性能等因素进行设计,在DBC基板版图设计过程中,在满足各项要求下,需要注意各型DBC基板有最小线径要求以及铜层最小间距要求,最小线径、铜层最小间距与所选择的铜层厚度有关,线径过小、铜层间距过小会造成DBC基板通流能力不足、器件间隔绝缘耐压不足等缺陷。以某型DBC基板为例,遵循表2.2.2设计原则。

  

1537363654664127.

 

  2.2.3 上铜层版图设计铜层刻蚀误差


  现代DBC基板版图通常采用激光刻蚀完成,DBC基板在进行激光刻蚀过程中,铜层刻蚀截面为一圆弧截面,因此会存在一定的尺寸误差,在进行DBC基板版图设计过程中,需要额外注意,防止出现实物与设计不符合或者实际刻蚀工艺无法满足设计要求的情况,造成设计失败。如图2.2.3所示

  

1537363692437837.

 

  DBC基板版图实际尺寸为B±C,B值为工程技术人员设计值,会存在一个误差值C,该误差值与所选择的DBC基板铜层厚度有关,以某型DBC基板为例,应遵循如表2.2.4原则。

  

1537363707823668.

 

  三、 结束语

  IGBT模块已被广泛的应用在现代电力电子技术中,DBC基板在电力电子模块技术中,作为主要的芯片承载体,其重要地位不言而喻。DBC基板设计的优劣直接影响到模块的电气性能,遵循一定的设计原则,合理的进行DBC基板的版图设计,就可以完成优秀的DBC基板设计,从而较好的完成IGBT模块的结构设计。(英飞凌igbt厂家)


cache
Processed in 0.004462 Second.