功率模块关键绝缘材料

2022-03-17 296

电源模块关键绝缘材料

在功率半导体模块的发展中，随着集成度的提高和体积的缩小，单位散热面积的功耗增加，散热成为模块制造的关键问题。然而，传统的模块结构（焊接和压接）已经无法成功解决散热问题。因此，对散热背板与芯片之间的导热和绝缘材料提出了新的要求。目前国内外电力电子行业使用的此类材料一般为陶瓷-金属复合板结构，简称DBC板（Dircet Bonding Copper）。

??所谓DBC技术是指在高温下将铜直接键合到陶瓷材料上的技术。 DBC板主要由Al2O3、AIN、BeO等导热、绝缘陶瓷基板制成。由于 BeO 具有毒性，因此很少在工业中使用。虽然AIN具有良好的导热性和与硅相似的热膨胀系数，但其价格太高。因此，目前Al2O3已广泛用作DBC板的绝缘基材，AIN也在开发中。

目前国外DBC基板已投入工业化生产，广泛应用于功率半导体模块、微波传输、密封等领域。在同一功率半导体中，与常见的焊接模块相比，DBC板的焊接模块不仅体积小、重量轻、节省零部件，而且具有更好的热疲劳稳定性和更高的集成度。我国该领域的研究刚刚起步，尚未形成产业化。西安交通大学电绝缘研究所结合GTR模块封装结构“八五”任务，由DBC科技研发出Al2O3-Cu复合板，并提供给西安电力电子研究所技术已被北京电力电子新技术研究开发中心等单位试用。目前已形成实验室小批量生产。市场前景十分可观。

??电源模块中DBC板的作用如下：

1）作为硅片的载体，其间没有其他材料或连接线。基板、布线类似于印刷电路板。

2）绝缘性能好，将导电部分与散热部分隔离。

3）散热性能好，硅片产生的热量通过导热机油传递到散热装置。

因此，DBC基板是一种导热性和绝缘性优良的基板。Al2O3-Cu基体具有以下优良特性：

1）热阻低，热膨胀系数与Al2O3相同，接近硅（7.4×10-5k-1）。使用时不需要过渡层，可将硅片直接焊接在DBC基板上。

2）机械性能好，粘合力大于5,000N/cm2，剥离强度大于90N/cm；3）耐腐蚀、不变形，可在-55℃～860℃温度范围内使用；

4）电气绝缘性能优良，瓷板耐压大于2.5KV。5）导热性能好，导热系数为24~28w/mk；；6）焊接性好，可达95%以上。
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DBC板将是未来电子电路结构和连接技术的基础材料。当传统的有机覆铜板不能满足元件的热冲击性能时，DBC板将被用作大功率电子元件的基础材料。使用时，由于较厚的铜层（0.3mm）可以承受更高的电流负载，在相同截面下，只需印刷电路板导体宽度的12%。良好的热电率使得功率芯片的密集安装成为可能。单位体积可以传输更多的功率，提高系统和设备的可靠性。可广泛应用于以下电力电子相关领域：

（1）IGBT、GTR、SIT等功率半导体器件。

(2)电源控制电路；

(3)混合电力线路和新型电力结构单元；

(4)固态继电器和高频开关模块的电源；

(5)电子加热装置的温度控制单元；

(6) 逆变器、电机调速、交流无触点开关；

(7)电子陶瓷器件。根据我们的研究，采用DBC技术制作的钛酸钡烧铜电极与普通银烧电极和镀铜电极相比，接触电阻更低，性能优越。

（8）汽车电子、航空航天技术等结构单元。 DBC技术是未来“核心板”技术的基础，代表了未来封装技术的发展趋势。随着DBC板的应用，向未来“核心板”技术迈进了一步，同时形成了创意产品理念和高度集成设备设计的基础。

??目前随着GTR、IGBT、SIT等新器件的发展，需要导热性能更好的DBC板。日本开发了AIN覆铜板，用于IGBT封装。

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