摘要 IGBT模塊因其優異的電氣性能，已經被廣泛的應用于現代電力電子技術中，DBC基板的設計是IGBT模塊結構設計中最重要的一環，DBC基板設計的優劣將直接影響到模塊的電氣特性，遵循一定的設計原則就可以很好的完成DBC基板的設計工作。
關鍵詞 IGBT模塊 DBC基板 版圖設計
IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復合而成的一種器件,其既具有MOSFET器件驅動功率小和開關速度快的優點,又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優點,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,采用IGBT芯片封裝制造而成的IGBT模塊因此被廣泛的應用在現代電力電子技術中,在較高頻率的大、中功率應用中占據了主導地位。
在IGBT模塊封裝設計中，承載IGBT芯片以及Diode芯片的DBC基板(Direct Bonding Cooper,簡稱DBC)的設計是IGBT模塊結構設計的關鍵技術，DBC基板的材質選擇、版圖設計等各種設計因素直接影響到IGBT模塊在完成封裝制造之后的各項電氣性能的優劣。本文詳細介紹了有關IGBT模塊用DBC基板的有關基本知識、版圖設計原則，以供相關工程技術人員參考。
一、 DBC基板簡介
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,現代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大致相同，以Al2O3陶瓷基板為例[1、2]，通過在含氧的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程中,Cu原子與O原子形成的Cu2O共晶液相，潤濕了互相接觸的Cu箔和Al2O3陶瓷表面,同時還與Al2O3發生反應,生成Cu(AlO2)2、Cu(AlO2)等復合氧化物,充當共晶釬焊用的焊料,使二者牢固的結合在一起，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,覆接銅箔的關鍵是使其表面形成符合上述覆接條件的過渡層。在過渡層上覆接銅箔的機理與Al2O3陶瓷基板大致相同。
1.2 DBC基板的優異特性
DBC基板在電力電子模塊技術中，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、熱阻系數低、膨脹系數匹配、機械性能優、焊接性能佳的顯著特點。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，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基板具有良好的導熱性，熱導率為20-260W/mK，IGBT模塊在運行過程中，在芯片表面產生大量的熱量，這些熱量可有效的通過DBC基板傳輸到模塊散熱底板上，再通過底板上的導熱硅脂傳導于散熱器上，完成模塊的整體散熱流動。同時，DBC基板膨脹系數同硅(芯片主要材質為硅)相近(7.1ppm/K)，不會造成對芯片的應力損傷，DBC基板抗剝力>20N/mm2,具有優秀的機械性能，耐腐蝕，不易發生形變，可在較寬溫度范圍內使用。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,該銅層能夠負擔很高的電流負載，在相同截面下，僅需要通常PCB板的12%的導電寬度，在單位體積內能傳輸更大的功率，提高系統和設備的可靠性。正是由于DBC基板的各種優良性能，DBC基板被廣泛應用于各型IGBT模塊中，采用DBC基板的IGBT模塊具有更好的熱疲勞穩定性和更高的集成度。
二、 DBC基板版圖設計
用于IGBT模塊等各種電力電子模塊的DBC基板主要類型為兩類，即Al2O3陶瓷基板和AlN陶瓷基板，兩種DBC基板在進行版圖設計過程中，遵循的基本設計原則一致。
2.1 DBC基板尺寸類型
DBC基板廠家會根據用戶需求，提供不同厚度DBC基板(不同厚度絕緣陶瓷層、不同厚度銅層)，市場上現有DBC基板絕緣陶瓷層厚度類型主要有：0.25mm、0.32mm、0.38mm、0.5mm、0.63mm、1mm等類型，表面銅層厚度類型主要有：0.1mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm等類型。不同厚度絕緣陶瓷層對應不同的絕緣等級，不同厚度銅層對應不同的電流承載能力，用戶可根據所設計模塊的絕緣耐壓需求、電流電壓等級以及散熱設計需求采用合適類型的DBC基板。需要注意的是，用戶在設計選擇過程中，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，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DBC基板廠家所能提供的最大尺寸母板各異，因此用戶在模塊設計過程中要注意避免所設計的DBC基板版圖超越母板尺寸，造成DBC基板設計上的不合理。
2.2 DBC基板版圖設計原則
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，在進行DBC基板版圖的設計工作中，主要需要注意以下幾個方面：
2.2.1 上下銅層邊緣距離陶瓷層邊緣距離尺寸
工程技術人員會根據所設計的模塊絕緣耐壓、模塊結構特點、芯片排布方式等級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計合理，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應遵循如下設計原則A≥0.5mm±0.3mm設計尺寸過小，不符合實際，廠家技術能力通常無法滿足，且當尺寸過小時，有可能會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，造成設計失敗。
2.2.2 上銅層版圖設計銅層線徑及銅層間距
DBC基板上銅層版圖設計是DBC基板設計的主要工作，版圖主要根據用戶模塊結構特點、芯片排布、散熱性能等因素進行設計，在DBC基板版圖設計過程中，在滿足各項要求下，需要注意各型DBC基板有最小線徑要求以及銅層最小間距要求，最小線徑、銅層最小間距與所選擇的銅層厚度有關，線徑過小、銅層間距過小會造成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設計原則。
2.2.3 上銅層版圖設計銅層刻蝕誤差
現代DBC基板版圖通常采用激光刻蝕完成，DBC基板在進行激光刻蝕過程中，銅層刻蝕截面為一圓弧截面，因此會存在一定的尺寸誤差，在進行DBC基板版圖設計過程中，需要額外注意，防止出現實物與設計不符合或者實際刻蝕工藝無法滿足設計要求的情況，造成設計失敗。如圖2.2.3所示
DBC基板版圖實際尺寸為B±C,B值為工程技術人員設計值，會存在一個誤差值C，該誤差值與所選擇的DBC基板銅層厚度有關，以某型DBC基板為例，應遵循如表2.2.4原則。
三、 結束語
IGBT模塊已被廣泛的應用在現代電力電子技術中，DBC基板在電力電子模塊技術中，作為主要的芯片承載體，其重要地位不言而喻。DBC基板設計的優劣直接影響到模塊的電氣性能，遵循一定的設計原則，合理的進行DBC基板的版圖設計，就可以完成優秀的DBC基板設計，從而較好的完成IGBT模塊的結構設計。
參考文獻
[1]黃岸兵、崔嵩、張浩。氮化鋁陶瓷直接覆銅技術。
[2]陳大欽、林鋒等。DBC電子封裝基板研究進展。
作者：
李先亮 王豹子
(中車永濟電機有限公司)
