功率模組關鍵絕緣材料

2022-03-17 295

電源模組關鍵絕緣材料

在功率半導體模組的發展中，隨著整合度的提高和體積的縮小，單位散熱面積的功耗增加，散熱成為模組製造的關鍵問題。然而，傳統的模組結構（焊接和壓接）已經無法成功解決散熱問題。因此，對散熱背板與晶片之間的導熱和絕緣材料提出了新的要求。目前國內外電力電子產業所使用的此類材料一般為陶瓷-金屬複合板結構，簡稱DBC板（Dircet Bonding Copper）。

??所謂DBC技術是指在高溫下將銅直接鍵結到陶瓷材料上的技術。 DBC板主要由Al2O3、AIN、BeO等導熱、絕緣陶瓷基板製成。由於 BeO 具有毒性，因此很少在工業中使用。雖然AIN具有良好的導熱性和與矽相似的熱膨脹係數，但其價格太高。因此，目前Al2O3已廣泛用作DBC板的絕緣基材，AIN也在開發中。

目前國外DBC基板已投入工業化生產，廣泛應用於功率半導體模組、微波傳輸、密封等領域。在同一功率半導體中，與常見的焊接模組相比，DBC板的焊接模組不僅體積小、重量輕、節省零件，而且具有更好的熱疲勞穩定性和更高的整合度。我國該領域的研究才剛起步，尚未形成產業化。西安交通大學電絕緣研究所結合GTR模組封裝結構「八五」任務，由DBC科技研發出Al2O3-Cu複合板，並提供給西安電力電子研究所技術已被北京電力電子新技術研究開發中心等單位試用。目前已形成實驗室小批量生產。市場前景十分可觀。

??電源模組中DBC板的作用如下：

1）作為矽片的載體，其間沒有其他材料或連接線。基板、佈線類似印刷電路板。

2）絕緣性能好，將導電部分與散熱部分隔離。

3）散熱性能好，矽片產生的熱量經由導熱機油傳遞到散熱裝置。

因此，DBC基板是一種導熱性和絕緣性優良的基板。Al2O3-Cu基體具有以下優良特性：

1）熱阻低，熱膨脹係數與Al2O3相同，接近矽（7.4×10-5k-1）。使用時不需要過渡層，可將矽片直接焊接在DBC基板上。

2）機械性能好，黏合力大於5,000N/cm2，剝離強度大於90N/cm；3）耐腐蝕、不變形，可在-55℃～860℃溫度範圍內使用；

4）電氣絕緣性能優良，瓷板耐壓大於2.5KV。5）導熱性能好，導熱係數為24～28w/mk；；6）焊接性好，可達95%以上。
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DBC板將是未來電子電路結構和連接技術的基礎材料。當傳統的有機覆銅板無法滿足元件的熱衝擊性能時，DBC板將被用作高功率電子元件的基礎材料。使用時，由於較厚的銅層（0.3mm）可以承受更高的電流負載，在相同截面下，只需印刷電路板導體寬度的12%。良好的熱電率使得功率晶片的密集安裝成為可能。單位體積可以傳輸更多的功率，提高系統和設備的可靠性。可廣泛應用於以下電力電子相關領域：

（1）IGBT、GTR、SIT等功率半導體裝置。

(2)電源控制電路；

(3)混合電力線路及新型電力結構單元；

(4)固態繼電器和高頻開關模組的電源；

(5)電子加熱裝置的溫度控制單元；

(6) 逆變器、馬達調速、交流無觸點開關；

(7)電子陶瓷裝置。根據我們的研究，使用DBC技術製作的鈦酸鋇燒銅電極與普通銀燒電極和鍍銅電極相比，接觸電阻更低，性能優越。

（8）汽車電子、航太技術等結構單元。 DBC技術是未來「核心板」技術的基礎，代表了未來封裝技術的發展趨勢。隨著DBC板的應用，向未來「核心板」技術邁進了一步，同時形成了創意產品概念和高度整合設備設計的基礎。

??目前隨著GTR、IGBT、SIT等新元件的發展，需要導熱性能更好的DBC板。日本開發了AIN覆銅板，用於IGBT封裝。

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