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电力电子模块用关键绝缘材料--导热绝缘陶瓷覆铜DBC板
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在电力半导体模块的发展中,随着集成度的提高,体积减小,使得单位散热面积上的功耗增加,散热成为模块制造中的一个关键问题,而传统的模块结构(焊接式和压接式)已无法成功地解决散热问题。因此对处于散热底板和芯片之间的导热绝缘材料提出了新要求。目前,国内外电力电子行业所用此种材料一般是陶瓷-金属复合板结构,简称DBC板(Dircet Bonding Copper)。

所谓DBC技术,是指将铜在高温下直接键合到陶瓷材料上的技术。DBC板主要是采用Al2O3、AIN、BeO等导热绝缘陶瓷基片。由于BeO含有毒性,工业上少有利用。AIN虽然导热性能良好,且热膨胀系数与硅相近,但价格太高,因此目前Al2O3已被广泛用作DBC板的导热绝缘基片,而AIN也处于发展之中。

目前国外DBC基板已投入工业化生产,并广泛用于电力半导体模块、微波传送和密封等领域。在相同功率的电力半导体中,DBC板的焊接式模块,与普通焊接式模块相比,不仅体积小,重量轻,省部件,并且具有更好的热疲劳稳定性和更高的集成度。国内这方面的研究刚刚起步,尚未形成工业化生产。西安交通大学电气绝缘研究所结合GTR模块封装结构的"八五"攻关任务,采用DBC技术研制出Al2O3-Cu复合板,并提供给西安电力电子技术研究所,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。市场前景可观。

DBC基板在功率模块中所起的作用如下:

1)作为硅芯片的承载体,并且二者之间无其它任何材料和连接线。电路布线基板,功能近似于PCB板。
2)绝缘性能好,把导电部件和散热部件隔离开。
3)散热性能好,把硅芯片产生的热量通过导热机油传输到散热装置。

因此说DBC基板是导热性能和绝缘性能都很优良的基板。Al2O3-Cu基板具有如下的优良特性:

1)热阻抗小,且热膨胀系数同Al2O3,与硅相近(7.4×10-5K-1),使用中不要过渡层,硅芯片可直接焊接在DBC基板上;
2)具有良好的机械性能,附着力>5000N/cm2,抗剥力>90N/cm;
3)耐腐蚀、不形变,可在-55℃~+860℃温度范围内使用;
4)极好的电绝缘性能,瓷板耐压>2.5KV;
5)良好的导热性,热导率为24~28W/m·K;
6)焊接性良好,达到95%以上。

DBC板将是未来电子线路中结构和连接技术的基础材料。在传统有机覆铜P.C.板不能满足元件热冲击性能的时候,DBC板将用于具有高耗散功率电子组件的基本材料。在使用中,由于较厚的铜层(0.3mm)能承受更高的电流负载,在相同截面下,仅需通常P.C.板12%的导体宽度;良好的热电率,使功率芯片的密集安装成为可能。在单位体积内能传输更大的功率,提高系统和设备的可靠性。在电力电子如下相关领域可得广泛应用:

(1)功率半导体器件,如IGBT、GTR、SIT等;
(2)功率控制线路;
(3)混合功率线路及新式功率结构单元;
(4)固态继电器及高频开关模块电源
(5)电子加热器件的温度控制单元;
(6)变频器、电机调速、交流无触点开关;
(7)电子陶瓷器件,经我所研究表明,采用DBC技术制作BaTiO3的烧铜电极,与普通的烧银电极以及镀铜电极相比,接触电阻小,性能优越;
(8)汽车电子、航空航天军事技术等方面的结构单元。 DBC技术是未来"芯-板"技术的基础,代表着今后封装技术的发展趋势,随着DBC板的应用,就向未来的"芯-板"技术迈进了一步,同时也形成了创造性产品思想和具有高集成度设备设计的基础。

目前,随着GTR、IGBT、SIT等新型器件的发展,对导热更好的DBC板又提出了要求,日本已研制出了AIN覆铜板,并用于IGBT的封装中。我国已研制出AIN陶瓷基片,我所已开展了AIN覆铜板的研制工作,并正在进行键合机理及工艺过程的研究,预计在"九五"期间,将会在国内电力半导体行业中得到应用。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2/6/2007)
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