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    1. 電力電子模塊用關(guān)鍵絕緣材料

      時(shí)間: 2013-05-27 瀏覽數(shù): 0

        在電力半導(dǎo)體模塊的發(fā)展中,隨著集成度的提高,體積減小,使得單位散熱面積上的功耗增加,散熱成為模塊制造中的一個(gè)關(guān)鍵問題,而傳統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)(焊接式和壓接式)已無法成功地解決散熱問題。因此對處于散熱底板和芯片之間的導(dǎo)熱絕緣材料提出了新要求。目前,國內(nèi)外電力電子行業(yè)所用此種材料一般是陶瓷-金屬復(fù)合板結(jié)構(gòu),簡稱DBC板(Dircet Bonding Copper)。

        所謂DBC技術(shù),是指將銅在高溫下直接鍵合到陶瓷材料上的技術(shù)。DBC板主要是采用Al2O3、AIN、BeO等導(dǎo)熱絕緣陶瓷基片。由于BeO含有毒性,工業(yè)上少有利用。AIN雖然導(dǎo)熱性能良好,且熱膨脹系數(shù)與硅相近,但價(jià)格太高,因此目前Al2O3已被廣泛用作DBC板的導(dǎo)熱絕緣基片,而AIN也處于發(fā)展之中。

        目前國外DBC基板已投入工業(yè)化生產(chǎn),并廣泛用于電力半導(dǎo)體模塊、微波傳送和密封等領(lǐng)域。在相同功率的電力半導(dǎo)體中,DBC板的焊接式模塊,與普通焊接式模塊相比,不僅體積小,重量輕,省部件,并且具有更好的熱疲勞穩(wěn)定性和更高的集成度。國內(nèi)這方面的研究剛剛起步,尚未形成工業(yè)化生產(chǎn)。西安交通大學(xué)電氣絕緣研究所結(jié)合GTR模塊封裝結(jié)構(gòu)的"八五"攻關(guān)任務(wù),采用DBC技術(shù)研制出Al2O3-Cu復(fù)合板,并提供給西安電力電子技術(shù)研究所,北京電力電子新技術(shù)研究開發(fā)中心等單位試用。目前已形成實(shí)驗(yàn)室小批量生產(chǎn)。市場前景可觀。

        DBC基板在功率模塊中所起的作用如下:

        1)作為硅芯片的承載體,并且二者之間無其它任何材料和連接線。電路布線基板,功能近似于PCB板。

        2)絕緣性能好,把導(dǎo)電部件和散熱部件隔離開。

        3)散熱性能好,把硅芯片產(chǎn)生的熱量通過導(dǎo)熱機(jī)油傳輸?shù)缴嵫b置。

        因此說DBC基板是導(dǎo)熱性能和絕緣性能都很優(yōu)良的基板。

        Al2O3-Cu基板具有如下的優(yōu)良特性:

        1)熱阻抗小,且熱膨脹系數(shù)同Al2O3,與硅相近(7.4×10-5K-1),使用中不要過渡層,硅芯片可直接焊接在DBC基板上;

        2)具有良好的機(jī)械性能,附著力>5000N/cm2,抗剝力>90N/cm;

        3)耐腐蝕、不形變,可在-55℃~+860℃溫度范圍內(nèi)使用;

        4)極好的電絕緣性能,瓷板耐壓>2.5KV;

        5)良好的導(dǎo)熱性,熱導(dǎo)率為24~28W/m·K;

        6)焊接性良好,達(dá)到95%以上。

        DBC板將是未來電子線路中結(jié)構(gòu)和連接技術(shù)的基礎(chǔ)材料。在傳統(tǒng)有機(jī)覆銅P.C.板不能滿足元件熱沖擊性能的時(shí)候,DBC板將用于具有高耗散功率電子組件的基本材料。在使用中,由于較厚的銅層(0.3mm)能承受更高的電流負(fù)載,在相同截面下,僅需通常P.C.板12%的導(dǎo)體寬度;良好的熱電率,使功率芯片的密集安裝成為可能。在單位體積內(nèi)能傳輸更大的功率,提高系統(tǒng)和設(shè)備的可靠性。在電力電子如下相關(guān)領(lǐng)域可得廣泛應(yīng)用:

        (1)功率半導(dǎo)體器件,如IGBT、GTR、SIT等;

        (2)功率控制線路;

        (3)混合功率線路及新式功率結(jié)構(gòu)單元;

        (4)固態(tài)繼電器及高頻開關(guān)模塊電源;

        (5)電子加熱器件的溫度控制單元;

        (6)變頻器、電機(jī)調(diào)速、交流無觸點(diǎn)開關(guān);

        (7)電子陶瓷器件,經(jīng)我所研究表明,采用DBC技術(shù)制作BaTiO3的燒銅電極,與普通的燒銀電極以及鍍銅電極相比,接觸電阻小,性能優(yōu)越;

        (8)汽車電子、航空航天軍事技術(shù)等方面的結(jié)構(gòu)單元。 DBC技術(shù)是未來"芯-板"技術(shù)的基礎(chǔ),代表著今后封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢,隨著DBC板的應(yīng)用,就向未來的"芯-板"技術(shù)邁進(jìn)了一步,同時(shí)也形成了創(chuàng)造性產(chǎn)品思想和具有高集成度設(shè)備設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

        目前,隨著GTR、IGBT、SIT等新型器件的發(fā)展,對導(dǎo)熱更好的DBC板又提出了要求,日本已研制出了AIN覆銅板,并用于IGBT的封裝中。我國已研制出AIN陶瓷基片,我所已開展了AIN覆銅板的研制工作,并正在進(jìn)行鍵合機(jī)理及工藝過程的研究,預(yù)計(jì)在"九五"期間,將會(huì)在國內(nèi)電力半導(dǎo)體行業(yè)中得到應(yīng)用。

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