无锡市锡整电力器件有限公司

DBC技术与电力模块的发展

无锡市锡整电力器件有限公司陈其宾

　　在上个世纪70 年代，随着微电子平面工艺方片结构引入电力电子生产领域之后，国外电力器件封装技术上产生了一次重大变革，这就是电力器件的模块化封装技术。在此以前，分立式的电力器件的散热（散热是电力器件的技术核心）是直接把导电电极与金属散热器相连接，利用金属导电又导热的特点，把硅芯片上的热量散发出去。这样的分立器件的散热器是带电的，必须各自独立绝缘，因此在应用中，扩大了装置的体积，增大了散热器的重量。
电力模块以其全新的面貌出现在人们面前，主要有以下优点：
1．结构合理，主接线端可配置在同一个平面上，母线配线容易，门极端子与主电极端子分开，抗噪声干扰能力强。
2．内部的陶瓷绝缘层合理的解决了热阻和绝缘之间的矛盾，使管芯和散热基板绝缘，安装模块时，不需考虑散热器的绝缘问题，同时又可将多个电力模块安装在同一个散热器上。
3．体积小，重量轻，使用方便。
4．标准化后的模块解决了互换性，使模块生产规格化，标准化，这样有利于规模生产，又有利于各种用户使用，
5．集成化程度提高使模块的容量大大增强，各种新型器件的引入，使模块的性能进一步增加，以满足用户的各种要求。
模块是集成了一个以上半导体芯片的单元，多个芯片在模块内部按一定的电路功能相互连接，一般来说，其内部结构（自金属底板向上依次顺序）有以下几层：
铜（或铝）底板
陶瓷绝缘层
铜连接引线
金属钼片
硅芯片
铜引线
如果这些层之间的连接使用焊接方法的称之为焊接式模块。如果这些层之间的连接使用机械的紧固方法则称为压接式模块。

一．普通焊接式模块
模块技术的发展十分依赖于其它行业的新的技术和新的材料的出现，特别是机械制造业，化工工业和新材料工业。在七十年代，受到当时技术条件的限制，最初的模块的工艺和结构是相当不完善的。
例如，内部另件采用的酸性焊料焊接到热板上，虽然在以后的清洗工艺

　　中除去了一部分有害的物质，但是往往还有一些残余物留在了密封的外壳中，这些酸性物质会对那些保护并不彻底的硅芯片造成毒害。（某电机厂在1989年曾使用了西门康公司的这样的焊接式整流模块，发生了批量的现场失效）。
另外，正如我们己经知道的，普遍焊接式模块在模块的各层之间采用的是金属软焊料的焊接方法，各种材料的力学性能的不同制约了这种方法在大容量电力模块上的应用。也就是说在大功率（一般认定器件的平均电流为250A左右，硅片直径为30mm）情况下，器件在工作状态的发热和在关机状态下的冷却（或常温），会经过较大的温度变化，这种温度的变化在模块内部产生了热应力，由于各材料的热膨胀系数不一样，会使焊料产生疲劳。
当然，普遍焊接式模块也有其外独特的优点：
1．热阻小
2．功耗低
3．可有较好的集成度
4．可以使用玻璃钝化的芯片
5．成本较低
现在，由于新的焊料的出现，原先酸性焊接材料己经被目前的免清洗焊料代替，芯片的保护技术也己十分成熟。所以，在冷热循环并不十分突出的应用范围和250A以下的电流容量范围内，普遍焊接式模块的应用仍然占据主导地位。

二．压接式模块
　　电流容量较大的模块（250A以上，硅片的直径大于30mm）一般采用压接式的结构，压接式结构的主要理论是：大面积的压接接触系统和小面积的压接接触系统能承受同样的热循球次数，压接触系统在热循环过程中不同材料层之间允许彼此有一定的滑动，在较大的热冲击和较高的热疲劳次数下不会产生较大的应力，因而耐热疲劳能力较强。
虽然压接式模块解决了热疲劳问题，也有许多不足之处：
1．由于各材料层之间没有焊料层，是一种干式接触，因此增大了热阻。使器件的功率消耗增大。
2．内部另件的数量相对的增多，器件可靠性失效的几率较大。
3．压接式模块的管芯不适合于采用先进的坡璃钝化的技术，使其长期稳定性受到影响。
4．由于弹簧加载不同，不可能在同一个压接式模块中集成两个以上的不同尺寸的器件，限制了模块内部使用管芯的数量。

三．DBC技术的模块
　　在介绍DBC（DIRECTED BOND COPPER）技术之前，我们再来分析一下普通焊接式模块的绝缘系统。我们己经知道，模块技术之所以诞生，而且显示

　　出旺盛的生命力，主要是解决了导热与绝缘之间的矛盾。这就是金属化了的陶瓷。这一方法由美国人在1945年发明，称之为Mo-Mn法技术，其金属化机理主要是：
1．在高温下瓷中玻璃相向金属化层渗透，或金属化配方中的氧化物形成玻璃相。
2． Mn氧化成MnO，MnO熔入玻璃相中，使其粘度降低。玻璃相一方面渗入Mo层空隙，另一方面湿润陶瓷，向瓷中渗透或产生溶解－重沉淀过程而析出大颗粒刚玉晶粒。
3． MnO与AL2O3，SiO2等作用形成MnO.AL2O3或MnO.SO2，在降温时可能析出锰铝尖晶石或蔷薇辉石。
4． Mo在湿氢中表面微量氧化，微量氧化部分进入玻璃相中，且使玻璃相对Mo浸润良好。Mo在高温下，在玻璃相渗透的同时，本身也烧结成多孔性层。
曾经有人对直径为25mm的硅芯片做过试验。实验表明，Mo－Mn金属化陶瓷基板上金属化的层厚只能达到10μ左右，当硅芯片因功率消耗温度从450C上升到1250C时，位于陶瓷基板上方的铜引线的膨胀会产生5μ－8μ的位移差。这就是所谓热疲劳的实验依据。
为了解决普通焊接式模块和压接式模块以上的不足，在上个世纪七十年代未，西德ABB－IXYS公司研制出了一种新材料铜－氧化铝陶瓷共晶键合基板。这就是使电力模块的制造技术发生了划时代变革的DBC技术。新在此工艺中，AI2O3陶瓷片的两边可以直接键合上一层铜层。这种铜层在与氧化铝接合处，经过技术处理后，有一层铜与氧化铜共晶体，这一共晶体与接触的氧化铝处于完全浸润状态，产生了牢固的共晶结合。（所有的这些制作，都是严格的控制在1062－10650C温度范围内，这一温度恰好略低于铜的熔点。从而保证了铜层的形状和尺寸不偏离设计要求）。在八十年代初期，BBC公司将这一成果应于电力模块的设计。研制出了新的一代模块――DBC技术模块或铜－铝共晶模块。
铜－氧化铝共晶基板的物理参数都达到了一个新的水平，主要有：
1．击穿电压 10KV
2．介电常数 9－10
3．热导率 24－28W／m.k
4．铜层厚度 0.3mm
5．抗拉强度 5000N／cm2
6．温度范围－55――+8500C
7．热膨胀系数 7.4×10-6 K -1
8．冷热循环次数 150000次

从以上参数可以看出：DBC技术模块有如下优点：
1．良好的机械强度
2．优良的电绝缘性能
3．绝缘基板的膨胀系数与硅相近，因而中间不需要过渡层。

4．无与伦比的耐热循环能力（耐热疲劳能力）。
5．由于复铜层较厚，具有优良的导电导热性能。（功率消耗小，热阻小）
6．可能可以与印刷线路板一样造型，为功能型，智能型，更多集成化的模块提供了条件。

四．各种模块主要性能的比较

参数普遍焊接式模块压接式模块 DBC焊接式模块备注

耐热疲劳性差好很好

热阻性能很好差很好

功率消耗小大小

内部机构可靠性失效几率小较大小
250A以上载流能力困难可能可能
250A模块尺寸比较中大小

五．我国目前电力模块的技术状况
　　由于行业管理的分割，我国电力半导体产业发展是落后于国外水平的，基本上无法从国内直接获得微电子技术进步给电力半导体的推动力量。主要技术和产品都是在"七五""八五"期间从国外引进的。大约落后于国外水平10--15年。在1996年，作为国家重点技术项目，原机械部西安电力电子研究所生产出了国内第一批使用DBC技术的IGBT模块，在此以后，又在国家规划的重点部门引进了DBC材料技术，近几年来，一些欧美国家的外资或独资企业相继来到中国，把DBC材料技术和产品带来了国内，这样为国内电力模块行业跟踪新一代的模块技术创造了条件。我厂从2002年己开始生产DBC枝术模块，在内部的工艺质量控制取得了成熟的经验，在用户的使用中也取得了良好的效果。

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