陶瓷PCB板为什么会成为IGBT模块散热的首选

陶瓷PCB板
汽车IGBT模块

2025-01-17 17:07:41

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什么是IGBT的热管理？

IGBT模块是一种功率器件，具有驱动电压低、功率处理能力强、开关频率高等优点。但它也不能与热特性分开。功率半导体模块的弱点是过电压和过热。如果这种热量得不到有效管理，可能会导致设备故障、效率降低和寿命缩短。只有准确地设计器件和系统的热特性，才能确保器件的长期可靠运行，并充分挖掘其潜力，这就是IGBT的热管理。

IGBT的持续小型化和快速增长的额定功率具有显著的高热通量，这需要复杂的热管理。

对于模块而言，IGBT散热技术主要围绕封装和连接迭代展开。模块封装和连接技术始终围绕着基板、DBC板、焊接、装订线和散热结构的不断优化。

芯片间连接方式：铝线/条→铜线→扁平连接

散热结构：单面间接散热→单面直接水冷→双面水冷结构。

DBC板和衬底：材料迭代，从A1203→AIN→Si3N4，衬底材料将从Cu迭代到A1SiC。

例如在电动汽车中，大功率封装器件在调控汽车速度和储存-转换交流和直流上发挥着决定性作用。而高频率的热循环对电子封装的散热提出了严格的要求，同时工作环境的复杂性和多元性需要封装材料具有较好的抗热震性和高强度来起到支撑作用。

目前，已经大规模生产、应用较为广泛的陶瓷基板主要有：Al₂O₃、BeO、SiC、Si₃N₄、AlN等。其中氮化硅是国内外公认兼具高导热、高可靠性等综合性能最好的陶瓷基板材料。但整体来看，从导热率、耐磨性、机械性能等特性来看，Si₃N₄和AlN两种陶瓷基板均成为今后值得重视的基板材料。

IGBT模块与陶瓷PCB的紧密结合

IGBT代表绝缘栅双极晶体管，是一种在单个设备中结合了具有MOS结构的控制输入和用作输出开关的双极功率晶体管。IGBT芯片虽小，却能在超高电压下实现快速的电流开关。

用于IGBT模块散热的PCB有氧化铝PCB、氮化铝PCB、氮化硅PCB 等，适用于高电压、高电流应用，以低功率输入驱动高功率输出。

目前，IGBT模块多年来已在众多行业得到应用，而优化其散热以使模块能以更高功率工作一直是关键问题，陶瓷PCB正是解决这一问题的理想选择。

陶瓷PCB在IGBT模块中的关键作用

陶瓷PCB在IGBT模块散热方面有着出色表现。

一个IGBT模块工作时会产生多少热量？这相当于100个电炉产生的热量。如此惊人的热量若不及时消散，将会对IGBT芯片造成严重损害。因此，如何高效散热成为了关键问题。
在IGBT模块中，陶瓷PCB位于IGBT芯片下方，芯片组装在陶瓷电路板上。它不仅连接并支撑着芯片，还能够将热量快速从芯片散发到外封装，从而有效地保护芯片免受热影响。

陶瓷PCB散热的优势所在

陶瓷PCB能为IGBT模块有效散热，原因在于陶瓷材料具备良好的散热和电绝缘性能。与铝基板PCB不同，陶瓷PCB不使用阻碍散热的绝缘层。在制造过程中，通过高温高压将覆铜直接键合到陶瓷基板上，再利用光刻胶涂覆方法制造电路层。

此外，陶瓷材料具有超高的绝缘性，可承受高达20KV/ mm的击穿电压。不同类型的陶瓷PCB热导率也各有优势，氧化铝PCB的热导率为15 - 35W / mK，氮化铝PCB为170 - 230W/ mK，氮化硅PCB为80+ W/ mK。相比之下，铝PCB的散热量仅为1-12W/ mK。

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