电源电路陶瓷基板的选择

　　陶瓷基板材料和EV/HEV电源模块
　　设计电源电路需要适合应用的基板材料。电动汽车 (EV) 和混合动力电动汽车 (HEV) 的电源模块等新应用需要更小的电路提供更高的电压和功率，从而需要电路材料能够提供高压隔离，并能从密集封装的半导体中有效散热器件，例如IGBT和 MOSFET。
　　陶瓷基板材料具有所需的性能，但并非所有陶瓷基板的制造方式都相同。例如，可以通过不同的方式将铜附着到陶瓷上，包括直接键合铜 (DBC) 或活性金属钎焊 (AMB) 工艺。了解陶瓷基板的比较有助于为必须处理高电压、高隔离度和高效散热的应用指定陶瓷基板。
　　随着能量存储系统的改进以及随之而来的续航里程的增加，电动汽车和混合动力汽车的数量正在稳步增长。这些车辆的电源电路围绕开关二极管（IGBT 和 MOSFET）构建，设计用于处理约 400 至 750 V 的直流电压；在某些情况下，EV 和 HEV 中的电压可高达 900 至 1200 V。由于 EV 或 HEV 的空间有限，电源电路和模块通常内置在狭小的空间中。幸运的是，陶瓷基板材料可以满足电动汽车和混合动力汽车电源模块以及许多其他电力电子应用的电气和机械要求。
　　陶瓷基板包括用于制造电路图案、散热器和其他电子结构的铜层。陶瓷材料包括氧化铝（Al2O3）、氮化铝（AlN）和氮化硅（Si3N4）。根据材料的类型，铜可以通过不同的方法粘合到陶瓷材料上，其中 DBC 工艺用于氧化铝和 AlN，AMB 工艺是将铜粘合到 Si3N4 的有效方法。 DBC 工艺在约 +1065°C 的温度下进行，通过陶瓷基板和铜之间的熔化和扩散形成结合。 AMB 工艺的工艺温度较低，约为 +800°C，可在纯铜和 Si3N4 陶瓷材料之间形成高温钎焊接头。

　　DBC 和 AMB 陶瓷基板都具有适合 EV/HEV 电源模块高功率密度的特性。铜的高导电率支持大电流；陶瓷基板优异的介电性能可实现电源模块中密集电路所需的高隔离度（图 1）。了解机械属性（例如铜厚度和陶瓷厚度）与性能的关系有助于尝试优化陶瓷材料参数以实现电气性能和有效的热管理。

　　直接键合铜 (DBC) 和活性金属钎焊 (AMB) 是将导电铜连接到陶瓷介电基板材料的两种工艺。
　　图 1：直接键合铜 (DBC) 和活性金属钎焊 (AMB) 是将导电铜连接到陶瓷介电基板材料的两种工艺。
　　随着电动汽车和混合动力汽车的发展及其电力电子支撑技术（例如储能）的改进，每年生产的此类汽车的数量将继续增长。电动汽车和混合动力汽车重量的增加和性能要求的提高将需要具有更高电流容量的高压逆变器。在车辆电源电路中用作开关器件的二极管、IGBT 和 MOSFET 可从许多供应商处获得。
　　这些半导体具有不同的工作电压 (VCES) 和隔离电压 (VISOL) 额定值，并且支持电源电路及其基板材料必须提供在所需电压和功率水平下可靠运行的性能。
　　功率半导体器件的隔离测试电压包含在电动汽车和混合动力汽车的各种标准和法规中。它是指施加在器件端子和绝缘模块基板之间而不发生电击穿的电压。对于安装在电路基板上的有源器件，基板材料的介电强度和厚度将影响隔离电压。陶瓷基板材料提供大于 20 kV/mm 的高介电强度，有利于处理高压电路和设备。
　　陶瓷基板材料的厚度将决定特定电路可能的隔离电压，较厚的材料支持更高的隔离电压。例如，0.38毫米厚的陶瓷基板可支持高达6 kV的隔离电压，而0.63毫米厚的陶瓷基板可支持高达13 kV左右的隔离电压。因此，较厚的陶瓷基板可实现更厚的隔离电压。
　　电动汽车如何应对热量
　　电动汽车和混合动力汽车的共同设计目标是化电子元件的尺寸，这导致了在更高功率水平下使用更小功率模块的趋势，这必然会导致散热问题。即使是效的功率半导体也会产生热能，作为流经有源器件（例如 IGBT 或 MOSFET）的电流的副产品。为了确保可靠性和较长的工作寿命，必须排除热量，而这可以通过使用具有高导热性的电路基板材料（例如陶瓷基板）来有效地实现。

　　给定设备必须管理的热量将是设备产生的功率的函数，功率水平越高，产生的热量就越多。 DBC 和 AMB 陶瓷基板具有不同的热特性，例如热阻 (Rth) 和热导率，可作为哪种材料更适合不同功率水平的指南。例如，在 +20°C 时，氧化铝 (Al2O3) 的导热率为 24 W/mK，而氮化硅 (Si3N4) 的导热率为 90 W/mK。但对于 AlN，导热系数为 170 W/mK，这使其成为必须不惜一切代价散热的极高功率、高功率密度电路的明确选择。当需要低热阻来散发大量热量时，也可以通过减小陶瓷基板的厚度、增加安装有源器件的铜面积以及增加铜层的厚度来实现（图 2）。

　　DBC 或 AMB 陶瓷基板的热阻受陶瓷厚度和铜厚度的影响
　　图 2：DBC 或 AMB 陶瓷基板的热阻受陶瓷厚度和铜厚度的影响。
　　在寻找电动汽车和混合动力汽车电源电路基板材料时需要考虑的另一个与材料相关的参数是热膨胀系数 (CTE)，它描述了不同材料如何随温度膨胀和收缩。由于材料特定的导热性，具有两种不同 CTE 物理连接的两种材料可能会因温度变化而承受应力。情况下，CTE 中的任何失配（例如硅 IGBT 或 MOSFET 及其电路基板的失配）都应化，以减少两种不同材料界面处热引起的机械应力。