由市场开发经理 Olivier Mathieu 发表
先进电子解决方案
过去十年，随着全球倡导减排温室气体减，增加可再生能源使用，电力电子的重要性日渐凸显。当今社会所面临的环境和污染挑战，激励着年轻一代的工程师去学习电力电子学。但是，情况并非总是如此。就在不久之前，电力电子还无法动摇微电子的地位。随着印刷电路板的问世和其规模化成产转移至亚洲，罗杰斯凭借其在电力电子方面积累的三十多年经验，开始推出直接键合铜（DBC）。
八十年代：八十年代：新时代的开始
1978 年到 1982 年期间，斯坦福大学、通用电气研发中心、西门子股份公司和美国无线电公司的研究团队在紧锣密鼓地研究功率金属氧化物半导体（MOS）和双极型晶体管概念的功能整合。最后，他们成功研发出了绝缘栅双极型晶体管（IGBT），使低至几百千瓦，高达几兆瓦的开关效率达到历史新高。于是，革命开始了。
而与此同时，多芯片功率模块也开始在市场上露面。与塑料注塑中的分立元件相比，功率模块包含多个功率半导体芯片，后者在基板上集成并相连，从而形成一个电路。功率模块能够适应同一包装中的不同拓扑结构和额定功率，举个例子，多件芯片能够轻松并联。此外，功率模块往往效率更高，型号更小，功率密度更高，而且在大多数情况下都更为可靠。功率模块还可以省掉复杂的安装步骤，也不需要额外的安装材料。但多芯片功率模块也对承载功率半导体、提供电气绝缘和散热的基板产品提出了新的严苛要求。
1983年，curamik 电子公司成立。当时，它是第一家大规模生产低成本直接键合铜氧化铝（Al2O3）陶瓷基板的公司。凭借其出色的散热性和能够有效增加模块使用寿命，直接键合铜基板至今仍然在功率模块中广为使用。氧化铝直接键合铜基板仍然是性价比最优的产品，其热力和机械性质足以满足市场上大部分工业应用的需要。
九十年代：达到最高额定功率
这些年来，IGBT 半导体技术得到了进一步发展，能够处理更大电流和更高电压。 这很大程度上是因为它能够支持高速铁道电气在高压下的运作。九十年代，用于能量传递的高压直流（HVDC）系统也开始采用IGBT技术，将多个元件并联，达到需要的功率水平。
因此，不仅元件设计需要考虑高工作电压和安全，模块，特别是基板，也不例外。陶瓷的介电强度通常在 20 kV/mm，其良好的电气绝缘性能和厚度使电压能够达到最大，因为热阻随着厚度增加。与氧化铝（热导率通常在26 W/mK）相比，新陶瓷拥有更出色的热导率，从而补偿厚度增加导致的热阻上升。虽然氧化铍（BeO）热性质更佳，但为了避免毒性问题，通常还是会采用热导率为170 W/mK的氮化铝（AlN）。氮化铝不容易键合，需要活性金属钎焊铜（AMB）以形成基板。curamik 电子公司是第一家，也是在 2011 年被罗杰斯公司收购后，唯一一家用传统 DBC 工艺键合氮化铝和铜，并对陶瓷进行特殊处理的公司。
21世纪：延长使用寿命
在技术和成本得到大幅改进后，包装技术也不甘落伍，确保最苛刻应用在多次开关和温度变化下能够实现更加出色的可靠性。其中，内燃机（ICE）车辆需要更多功率半导体来驱动电动发动机和水泵电机。汽车行业对半导体元件稳健性验证的严格要求促使制造商采用新材料和技术来克服老化问题，其中就有焊点疲劳和焊接升离。
就像链子一样，其强度由最薄弱的一环决定，模块也需要同样强的基板。氧化锆增韧氧化铝(ZTA)就这样进入了大家的视野。凭借其出色的机械性质，ZTA DBC基板能够比传统氧化铝DBC基板经受更多温度周期，能够为关键应用提供额外的稳健性裕度。另一种方法是利用这种新材料的机械性质，在不影响模块可靠性的情况下，降低模块厚度，实现更优秀的热性能。除了汽车行业以外，可再生能源和中功率工业应用也迅速开始采用这种新材料。但是，curamik Electronics GmbH 是第一家生产氧化锆含量在 9% 以上的 ZTA DBC 的公司。
过去十年：功率密度增大
随着小轿车、公交车和卡车的电气化程度加深，每辆汽车用到的半导体数量大幅增加，耗电量也大幅提高。而电动汽车则需要大量电力来驱动动力系统。 稳健性也同样重要，毕竟引擎盖下的空间有限，不能再增加重量。因此，为了达到理想的性能，电动汽车需要可靠的封装和有效的冷却技术。此外，电力电子解决方案必须朝着易定制、成本优化的方向发展以促进电动汽车市场的应用普及。
因此，功率密度得到了极大提升。为达到上述要求，芯片键合、连接、封装所用材料及其相关工艺也得到了相应改进。氮化硅（Si3N4）AMB基板能够在弯曲强度、断裂韧性和热导率之间达到最佳平衡，因此变得越来越受欢迎。根据具体要求和汽车种类，最多可附加0.8毫米厚的铜层。罗杰斯公司很早就发掘了这一市场需求，并在产品系列中加入了这款基板。截止目前，curamik®氮化硅AMB基板可适用于各种汽车应用。在电动汽车市场上，curamik基板未来可期。
未来：效率竞争仍在继续
全球的气候变化一直备受关注，我们相信电力电子相关行业定能为世界的美好作出贡献，也定能开发出各种有效的节能解决方案。未来的效率竞争仍在继续。目前有宽能隙设备可供使用，它们已经展现出了自己的潜力。 但同时也带来了新的封装挑战，电力电子行业需要拿出新的解决方案。凭借新材料、新工艺和新产品，这些挑战对罗杰斯而言都将迎刃而解。作为金属化陶瓷和全套DBC、AMB基板的制造商，罗杰斯电力电子解决方案团队随时准备为合作伙伴提供帮助。你有什么设计问题或需要帮助为你的应用选出一款适合的基板吗？若您需要任何帮助，则请联系我们。
相关产品：
curamik 陶瓷基板
标签：
Olivier's Twist 博客, 高可靠性, 燃油汽车与电动/混合动力汽车, 通用工业, 大型电器, 轨道, 风能和太阳能
发布于 2019 年 9 月 4 日
