IGBT基板的復(fù)合材料——鋁碳化硅（AlSiC）
大電流IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）模塊在工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的熱。尤其是工作電流達(dá)到600A以上的IGBT模塊。類(lèi)似功率模塊的封裝熱管理工藝中，考慮的目標(biāo)是消除熱結(jié)。那么，需要在芯片底部和散熱器之間的熱通道建設(shè)盡量暢通。
銅基板具有良好的導(dǎo)熱能力，但銅的熱膨脹系數(shù)接近IGBT芯片的三倍，而且IGBT芯片陶瓷襯底的面積可高達(dá)50mmx60mm，這三倍的差異在低功率模塊封裝可用陶瓷覆銅板或多層陶瓷覆銅板來(lái)過(guò)渡解決。高功率模塊如果用銅基板去承載芯片襯底同時(shí)在下方接合散熱器的話(huà)，焊接的銅基板經(jīng)受不住1000次熱循環(huán)，焊接外緣就會(huì)出現(xiàn)分層脫離。這種情況下，壓接方案相對(duì)可行。但壓接法制造出的模塊，如果長(zhǎng)期在震動(dòng)環(huán)境下使用，如軌道機(jī)車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、飛機(jī)等，其可靠性會(huì)大幅下降。那么，如何牢固封裝高功率IGBT模塊，使其在震動(dòng)、高溫、粉塵等環(huán)境下可使用呢？業(yè)界的辦法是采用鋁碳化硅材料來(lái)制作IGBT基板。
鋁碳化硅的典型熱膨脹系數(shù)為7～9ppm/℃，參考芯片的6 ppm/℃，如果再加上芯片下面焊接的陶瓷覆銅板，那么三倍的差異就從本質(zhì)上消除了。同時(shí)鋁碳化硅材質(zhì)的熱導(dǎo)率可高達(dá)200～235W/mK (25℃)，比鋁合金熱導(dǎo)率還高50%。英飛凌試驗(yàn)證明，采用鋁碳化硅材料制作的IGBT基板，經(jīng)過(guò)上萬(wàn)次熱循環(huán)，模塊工作良好如初，焊層完好。
鋁碳化硅材料很輕，只有銅材的1/3，和鋁差不多，但抗彎強(qiáng)度卻和鋼材一樣好。這使其在抗震性能方面表現(xiàn)優(yōu)秀，超過(guò)銅基板。因此，在高功率電子封裝方面，鋁碳化硅材料以其獨(dú)特的高熱導(dǎo)、低熱膨脹系數(shù)和抗彎強(qiáng)度的結(jié)合優(yōu)勢(shì)成為不可替代的材質(zhì)。
隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能驅(qū)動(dòng)的新計(jì)算時(shí)代的發(fā)展，對(duì)半導(dǎo)體器件的需求日益增長(zhǎng)，同時(shí)也催生了市場(chǎng)對(duì)半導(dǎo)體材料的需求，半導(dǎo)體材料行業(yè)迎來(lái)快速發(fā)展的黃金期。在國(guó)家鼓勵(lì)半導(dǎo)體材料國(guó)產(chǎn)化的政策導(dǎo)向下，本土半導(dǎo)體材料廠商不斷提升半導(dǎo)體產(chǎn)品技術(shù)水平和研發(fā)能力，逐漸打破了國(guó)外半導(dǎo)體廠商的壟斷格局，推進(jìn)中國(guó)半導(dǎo)體材料國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，促進(jìn)中國(guó)半導(dǎo)體材料行業(yè)的發(fā)展。
數(shù)據(jù)顯示，2017-2019年中國(guó)半導(dǎo)體材料市場(chǎng)規(guī)模逐年增長(zhǎng)，從2017年的76億美元增長(zhǎng)至2020年的94億美元。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017-2020年全球62座新投產(chǎn)的晶圓廠中有26座來(lái)自中國(guó)大陸，占比超過(guò)40%，成為增速最快的地區(qū)。伴隨著5G時(shí)代的來(lái)臨，汽車(chē)電動(dòng)化進(jìn)程拉動(dòng)IGBT規(guī)模增長(zhǎng)。得益于對(duì)清潔能源高速增長(zhǎng)的需求，IGBT市場(chǎng)規(guī)模將持續(xù)增長(zhǎng)，IGBT市場(chǎng)在2020年的規(guī)模為54億美元，從2020年到2026年將以7.5%的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2026年市場(chǎng)規(guī)模為84億美元。新能源車(chē)應(yīng)用作為IGBT市場(chǎng)規(guī)模的重要增量，2020年市場(chǎng)規(guī)模為為5.09億美元，2020-2026年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為23%，預(yù)計(jì)2026年新能源車(chē)用IGBT市場(chǎng)規(guī)模為17億美元。
隨著5G、智慧物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，中國(guó)大陸的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)得以在眾多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)快速與全面布局，正逐步驅(qū)使全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)從韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣向中國(guó)大陸轉(zhuǎn)移。目前，我國(guó)已經(jīng)成為最大的半導(dǎo)體市場(chǎng)，并且繼續(xù)保持最快的增速，預(yù)計(jì)半導(dǎo)體市場(chǎng)增長(zhǎng)將持續(xù)帶動(dòng)半導(dǎo)體材料行業(yè)快速發(fā)展。
