由市场开发经理 Olivier Mathieu 发表
先进电子解决方案
直接键合铜 (DBC) 和活性金属钎焊 (AMB) 陶瓷基板常用于电力转换的多芯片模块，以便进行以下转换：
每个应用均需符合适用于多芯片功率模块的特定要求，因此模块内部含有各种基板。除其他测量值外，电压、电流和任务要求也是为指定应用选择基板时需考虑的关键参数。在本博客中，我们将介绍多芯片功率模块的常见应用，以便帮助您了解各项技术的基本原理。
电机驱动器是工业应用和自动化系统中必不可少的组件，此类应用和系统需要精确控制移动、快速响应命令和精确满足定位要求（如机器人、机床、叉车、电梯)。通过改变电机电源的频率和电压，驱动器可控制速度和转矩。
业内人士开发了配有氧化铝 (Al2O3) 陶瓷覆铜基板的绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 功率模块来应对电机驱动器的需求，30 多年来，此类模块得以广泛应用。Al2O3 陶瓷覆铜基板的主要功能是承载多个芯片和互连芯片，以形成电路并提供电隔离。由于 Al2O3 陶瓷覆铜基板采用厚铜金属化设计，因此其载流量高，是电力转换的理想选择。此外，Al2O3 陶瓷覆铜基板具有低热阻性能，可避免半导体损耗。最后，可靠的材料（例如，Al2O3 陶瓷覆铜基板）可延长模块的使用寿命，因为其热膨胀系数 (CTE) 与半导体芯片的 CTE 一致。
对于高功率模块，多层陶瓷覆铜基板通常贴装在底板上。这种底板通常由铜制成，可为预期会出现浪涌电流的应用提供额外的热容量。但是，由于底板和基板 CTE 不同而产生的应力可能会导致焊层疲劳和分层。特别是在模块接触热循环的情况下。热循环可显著影响模块的使用寿命，影响程度取决于热循环的持续时间和重复性。因此，如果热容量不出现问题，则无底板的模块可成为理想选择。无论如何，大规模生产 Al2O3 陶瓷覆铜基板能为大多数工业应用提供非常有吸引力的性价比。
逆变器常应用于家用电器，用以控制空调、冰箱和洗衣机中的压缩机电机、风扇电机和鼓形电机。由于该解决方案价格实惠且功能充足，因此，多年来，电力转换均由分立装置来完成。然而，随着效率、可控性和小型化要求的不断提高，系统制造商开始选择采用小型多芯片模块。小型多芯片模块由多个制造商按照标准尺寸生产，并且比使用分立装置的现有解决方案更可靠。该细分市场仍然非常关注成本。因此，这些模块根据所需的额定电流和输入电压，利用可提供理想性价比的绝缘金属基板 (IMS) 或氧化铝 (Al2O3) 陶瓷覆铜基板进行生产。
功率模块常广泛用于需要将光伏、风能等清洁能源转换为可用商用电力的应用中。虽然这两种可再生能源都需要非常高的转换效率，但其对其他方面的要求却有所不同。
一方面，光伏逆变器需要在湿度和低系统成本方面具有高稳定性，但由于其通常始终处于开启状态，因此，对功率循环的需求较低。输出功率范围为数千瓦（用于住宅和商业应用）至百万瓦（用于公用事业规模的工厂）。低于 10 kW 的应用最好使用分立装置。输出功率较高的系统使用功率模块，是否配有底板需根据功率范围确定。因此，Al2O3 陶瓷覆铜基板也是适用于这些应用的理想技术。
另一方面，风力涡轮机的额定功率在百万瓦功率范围内。其使用空间有限，因而对功率密度要求较高。此外，功率模块需在可变风速中运行，并且承受较大的功率循环压力，又需要运行长达 25 年而不出现任何故障。因此，业内人士利用强大的粘结技术和可靠的材料（例如，掺杂氧化锆的 Al2O3 陶瓷覆铜基板）开发了配有底板的高功率模块，以达到所需的使用寿命。
所有列车都需要功率逆变器来驱动电机，但每辆列车的逆变器数量、电压和电流范围取决于列车的类型（电车、地铁、区域列车或高速列车）。铁路牵引需要电压大于 1.7 kV 且功率范围为 100 kW 至 1-2 MW 的高功率模块。因此必须使用厚陶瓷基板，以提供足够的电隔离，但这会增加热阻。增加的热电阻可使用具有更好的热导率的材料消除。因此，0.63 mm 及更厚的氮化铝 (AlN) 通常是理想材料。
对于电力电子行业而言，汽车领域中可能蕴藏最具潜能的机遇，因为混合动力汽车和电动汽车市场预计将快速发展。为满足此细分市场的需求，许多新的功率模块平台目前正处于开发阶段。但是，目前尚无“通用”解决方案，并且几乎没有标准方案可涵盖所有可能的汽车应用。
对于低于 60 V 的低电压应用（例如，轻度混合动力汽车中的皮带式起动机发电机），使用 Al2O3 和掺杂氧化锆的 Al2O3 陶瓷覆铜基板即可满足需求。但随着电气化水平的不断提高，不仅输出功率在不断增大，而且有关功率密度、功率循环和耐用性的要求也不断提高。因此，必须采用新的材料和粘结技术，以减少功率半导体芯片的损耗。氮化硅 (Si3N4) AMB 基板是此类应用的理想选择。但是，Si3N4 的热导率远高于 Al2O3。也就是说，Si3N4 AMB 基板具有卓越的机械性能，并可提供高达 0.8 mm 的厚铜金属化，以实现最高载流量和出众散热性能。
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发布于 2020 年 10 月 19 日
