IGBT功率模塊內(nèi)部由多層堆疊而成，各層的材料不同，其主要的作用也不同。金屬、陶瓷、硅凝膠和環(huán)氧樹脂塑料等，是目前功率半導(dǎo)體器件封裝的主要材料。不同材料的不同特性對IGBT器件的整體性能有著十分重要的影響，其中最主要的是影響散熱效果的材料熱導(dǎo)率和影響封裝體內(nèi)部各層間應(yīng)力的材料熱膨脹系數(shù)。

1. 材料的熱導(dǎo)率

材料的熱導(dǎo)率體現(xiàn)了材料的導(dǎo)熱能力，熱導(dǎo)率越大，散熱效果越好，熱阻越小。根據(jù)現(xiàn)有資料，金屬（水銀除外）往往比非金屬的熱導(dǎo)率要大，純金屬的熱導(dǎo)率比合金熱導(dǎo)率大，合金比金屬-非金屬混合物熱導(dǎo)率大。
 

IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由基板、DBC板、焊接材料和其他封裝材料組成。常見DBC板材料的熱導(dǎo)率如表1所示。BeO陶瓷的熱導(dǎo)率最高，但由于BEO粉末有毒性，在生產(chǎn)制造過程中較為麻煩，限制了在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。AH₂O₃陶瓷絕緣性好，價格也相對便宜很多，是目前應(yīng)用最廣的DBC板材，但由于其熱導(dǎo)率較低，散熱效果差，對于散熱效果要求較高的情況，有一定局限。Si₃N₄的熱導(dǎo)率大約是AH₂O₃陶瓷的三倍，散熱效果較好，熱膨脹系數(shù)為3×10^-6（K^-1），與基板材料的熱膨脹系數(shù)相差較大，需要特殊的焊接材料來增強(qiáng)封裝模塊的可靠性。AlN陶瓷的熱導(dǎo)率較高，在環(huán)境溫度較高的惡劣環(huán)境散熱效果較好。在某些特殊應(yīng)用場合，功率系統(tǒng)的損耗非常大，AlN陶瓷材料受到了廣大設(shè)計者的青睞。

常見基板材料的熱導(dǎo)率如表2所示。不同的基板材料，散熱效果不同，同時也會帶來不同的熱應(yīng)力，對系統(tǒng)的可靠性影響不同。ER-Al₂O₃材料的熱膨脹系數(shù)為6.5×10^-6（K^-1），與Si較為接近，但其熱導(dǎo)率非常小，不適宜應(yīng)用在損耗較大的功率系統(tǒng)中。 鋁基板、AlSiC基板和SiC基板的熱導(dǎo)率接近，散熱效果相當(dāng)。銅基板的熱導(dǎo)率最大，導(dǎo)熱效果最好，可以快速的將芯片溫度散發(fā)到環(huán)境中，降低芯片結(jié)濕，改善IGBT模塊的溫度場分布。

常見焊接材料的熱導(dǎo)率如表3所示。納米銀焊膏熱導(dǎo)率最高，其價格較高，主要應(yīng)用在高精密封裝模塊系統(tǒng)中。SnPb焊料熱導(dǎo)率較高，成本低，但由于金屬鉛會對環(huán)境造成污染，影響其在工業(yè)中使用。SnAg、SnAgCu和AuSn焊料的熱導(dǎo)率較為接近，散熱效果相當(dāng)。在IGBT模塊中，焊接材料的厚度非常小，在焊接質(zhì)量相差不大的情況下，不同的焊接材料對模塊整體的散熱效果影響不大。因此焊接材料的重點是改善焊接工藝，提高焊接質(zhì)量。

其他封裝材料的熱導(dǎo)率如表4所示。芯片材料、內(nèi)部填充材料和外圍塑封材料等的熱導(dǎo)率對IGBT模塊的散熱也有一定程度的影響。

2. 材料的熱膨脹系數(shù)

熱膨脹系數(shù)（CTE）是材料的一個十分重要的指標(biāo)，單位為K^-1，在電子器件封裝中，是衡量器件可靠性的重要參數(shù)。IGBT模塊大多采用堆疊封裝結(jié)構(gòu)，不同層之間的材料不同，由于熱膨脹系數(shù)的不匹配產(chǎn)生熱應(yīng)力，在長時間的熱循環(huán)或功率循環(huán)工作中會影響器件的可靠性。

表5所示為常見封裝材料的熱膨脹系數(shù)。IGBT堆疊模塊從上至下依次是硅芯片、芯片焊接材料、DBC陶瓷板、焊接材料和基板。在材料選擇時使其他層材料的熱膨脹系數(shù)盡量與硅芯片的熱膨脹系數(shù)相近。對于焊接材料來說，SnPb的熱膨脹系數(shù)為24×10^-6K^-1，SnAg的熱膨脹系數(shù)為21.7×10^-6K^-1，兩者與硅芯片的熱膨脹系數(shù)相差較大，焊接材料非常薄，要承受芯片和DBC陶瓷板的周期性應(yīng)力，同時由于焊接工藝的限制，兩層焊料層成為IGBT模塊內(nèi)部最薄弱的部分之一。

對于基板材料，鋁基板的熱導(dǎo)率比銅基板低，熱膨脹系數(shù)比銅基板高，兩者與硅芯片的熱膨脹系數(shù)相差較大，往往不會直接將芯片焊接在金屬基板上，中間通過DBC陶瓷板來減緩在功率循環(huán)或者熱循環(huán)中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，提高IGBT器件的可靠性，目前銅基板廣泛的應(yīng)用在IGBT封裝模塊中。AlSiC基板的熱導(dǎo)率與鉛基板相近，熱膨脹系數(shù)與Si芯片相近，質(zhì)量輕，可塑性強(qiáng)，不易變形，在功率器件封裝中有廣泛的應(yīng)用前景。
 

對于陶瓷基板材料，由于BeO粉末有毒，限制其應(yīng)用，故不做考慮。Al₂O3板的熱膨脹系數(shù)比AlN陶瓷板略高，兩者與硅芯片的熱膨脹系數(shù)匹配性高，由于AlN陶瓷的導(dǎo)熱率更高，在高功率密度的封裝中體現(xiàn)出更好的優(yōu)勢。

其他封裝材料比如環(huán)氧樹脂和硅凝膠等，在IGBT模塊封裝中的作用也較為重要，保護(hù)不受外界的損傷，材料有高擊穿場強(qiáng)，使IGBT器件的絕緣強(qiáng)度大大增強(qiáng)。