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中國科學院電工研究所佟輝等:導熱絕緣材料在電力電子器件封裝中的應用

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引言

隨著科技的不斷發展和電力變換需求的逐步提升,電力電子器件向高溫、高電壓、高頻率和大電流方向快速發展 ,器件封裝的拓撲結構設計也逐漸朝著微型化及高功率密度方向演變。

圖1為三菱SiC電力電子器件雙麵封裝拓撲結構,其中與電力電子器件相匹配的封裝材料,無論是起支撐作用的電路板(金屬絕緣基板)、起電氣連接作用的互聯材料(燒結銀焊接)、起絕緣和環境保護作用的包封材料(環氧灌封料)還是起散熱作用的界麵熱導材料,都對電力電子器件的性能影響顯著,是電力電子器件領域除芯片本身之外的另一核心部分。

圖1 三菱SiC電力電子器件雙麵封裝拓撲結構

本文基於當前Si基和下一代SiC等寬禁帶半導體電力電子器件發展的趨勢,分別介紹上述絕緣封裝材料的現狀及進展,並對未來新型絕緣封裝材料朝高導熱、耐高溫和高可靠性方向發展進行展望。

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電路板用導熱絕緣介質材料

1.1 聚合物絕緣基板用介質材料

聚合物絕緣基板介質材料也可稱為有機樹脂基板,具有設計自由度高、加工方便靈活和低成本的特性。該類基板多用於液晶顯示器用光源LED、LED照明產品、工業用機器人、低功率轉換電力電子器件裝置等。聚合物絕緣基板一般以環氧樹脂、酚醛樹脂、聚四氟乙烯等為有機基材,以紙或玻璃纖維等為增強材料。
1.2 金屬基板用介質材料
與聚合物絕緣基板相比,金屬基板具有更高的熱導率,多用於對散熱性能要求較高的領域 ;與厚膜陶瓷基板相比,金屬基板的力學性能更為優良,因此,金屬基板具有獨特優勢。典型的金屬基板包括3層,如圖2所示,第一層為導電層,即線路層,一般為銅箔;第二層為導熱絕緣層,主要起絕緣、粘接和散熱的作用;第三層為金屬基層,即底層散熱層,所用材料為鋁、銅等金屬板,以及像銅-石墨、鋁-碳化矽這樣的複合導電基板等。

圖2 金屬基板結構示意圖

1.3 陶瓷基板用介質材料
陶瓷基板主要在寬禁帶半導體器件中起連接芯片與外電路的作用,同時兼具支撐、散熱、保護和絕緣的功能。目前所知的能夠用於絕緣基板的、導熱性能優越的材料當屬金剛石 ,其熱導率高達3 000W/(m·K),其他的具有強共價鍵鍵合結構的Al2O3、AlN等單晶共價鍵材料熱導率也僅大於 30W/(m·K)。陶瓷基板由陶瓷絕緣層和鍍覆金屬層組成,目前常用的陶瓷絕緣層材料主要有 Al2O3、AlN和Si3N4,3種陶瓷絕緣層材料的性能參數對比如表1所示。

表1 陶瓷絕緣層材料性能參數

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電力電子器件包封保護用導熱絕緣材料

電氣保護一般采用真空或者有機絕緣包封兩種辦法將導電部分與環境隔離。其中有機絕緣包封又分為軟包封(灌封)和硬包封(塑封)兩種包封方式。前者因材質柔軟,具有一定的防震功能;後者因其較強的力學性能,可對電氣連接起一定的機械固定功能,但因其與金屬導體等材料存在熱膨脹係數差異,容易導致材料熱疲勞開裂,所以除了要求高絕緣性能外還要求高熱導率和低熱膨脹係數。
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熱界麵材料
熱界麵材料(TIM),塗敷於散熱電子元件(熱沉)與發熱電子元件(芯片)之間,是降低二者接觸熱阻所使用材料的總稱,熱界麵材料在電子元件封裝中的作用機製如圖3所示。熱界麵材料種類繁多,大致可分為導熱膏、導熱膠黏劑、導熱相變材料以及導熱墊片等。

圖3 熱界麵材料作用機製

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結束語

電力電子器件向更高溫度、更高電壓、更高頻率以及更大電流的方向發展促使封裝結構逐漸趨於微型化和高功率密度化,這對相應的封裝材料提出了更高要求。為獲得性能更優異的電力電子封裝材料,仍需加強在該領域的研發投入,基於材料本身分子結構與材料性能關係並與電力電子器件可靠性機理建立關聯機製,開發具有更高耐溫性、導熱性和絕緣性的新型導熱絕緣材料,以實現電力電子器件向更高工作電壓、更高工作溫度和更快開關速度的方向發展。


作者簡介



佟輝,博士,中國科學院電工研究所助理研究員,中國電工技術學會會員,SPE polymers期刊審稿人。主要從事電工與絕緣新材料研究,主持/參與國家自然科學基金3項,北京市科委重大專項和北京市基金各1項,中科院項目2項,中國科學院電工研究所基金1項,企業項目若幹,在相關領域發表文章10餘篇,申請/授權專利近10項。


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