導熱絕緣材料在碳化硅模塊封裝中的應(yīng)用|金瑞欣特種電路

隨著電力電子器件向高溫、高電壓、高頻率和大電流方向快速發(fā)展。器件封裝的拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)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電力電子器件雙面封裝拓撲結(jié)構(gòu)，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(lián)材料（燒結(jié)銀焊接）、起絕緣和環(huán)境保護作用的包封材料（環(huán)氧灌封料）還是起散熱作用的界面熱導材料，都對電力電子器件的電氣性能、抗電磁干擾特性、熱特性、器件的效率及可靠性等影響顯著，是電力電子器件領(lǐng)域除芯片本身之外的另一核心部分。

三菱SiC電力電子器件雙面封裝拓撲結(jié)構(gòu)

典型的IGBT電力電子模塊的封裝結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中需要具備絕緣功能的材料主要包括：電氣隔離和支撐芯片用的電路板材料、隔絕空氣和保護芯片用的絕緣灌封材料、外殼材料以及填充熱沉和散熱底板間隙用的界面熱導材料。

典型IGBT電力電子模塊封裝結(jié)構(gòu)

本文基于當前Si基和下一代SiC等寬禁帶半導體電力電子器件發(fā)展的趨勢，分別介紹上述絕緣封裝材料的現(xiàn)狀及進展，并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(fā)展進行展望。

1、電路板用導熱絕緣介質(zhì)材料

印制電路板是幾乎所有電子元件和控制裝置電氣隔離、支撐的核心部件。電路板基板按照材質(zhì)的不同可以分為3類：聚合物絕緣基板、金屬基板和陶瓷基板。不同的基板介質(zhì)材料在耐熱性、熱傳導性、耐電壓性、熱膨脹系數(shù)、機械強度、加工性以及成本方面差異顯著，從而應(yīng)用于不同功率等級的電力電子領(lǐng)域中。

1.1 聚合物絕緣基板用介質(zhì)材料

碳化硅模塊封裝中，采用高耐熱、熱阻性好的聚酰亞胺樹脂為基材的柔性基板制備的柔性電路板，可應(yīng)用于需要三維高封裝密度的中低功率電力電子模塊裝置。如圖3所示，Semikron公司采用SKIN技術(shù)的SiC電力電子器件中就含有柔性電路板雙面封裝結(jié)構(gòu)。

SKIN技術(shù)IGBT模塊封裝結(jié)構(gòu)

1.2 金屬基板用介質(zhì)材料

與聚合物絕緣基板相比，金屬基板具有更高的熱導率，多用于對散熱性能要求較高的領(lǐng)域；與厚膜陶瓷基板相比，金屬基板的力學性能更為優(yōu)良，因此，金屬基板具有獨特優(yōu)勢。

典型的金屬基板包括3層，如圖4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-碳化硅這樣的復合導電基板等。

金屬基板結(jié)構(gòu)示意圖

中間的導熱絕緣層是金屬基板的關(guān)鍵材料，需要具備優(yōu)異的耐熱性、導熱性，較高的電氣強度，良好的柔韌性，并且能與金屬基板和線路層粘接良好。導熱絕緣層主要由提供粘接性能的有機樹脂和高導熱無機填料組成。

有機高分子材料結(jié)構(gòu)中通常含有較多的缺陷，分子振動和晶格振動不協(xié)調(diào)，導致聲子散亂程度高，因此具有較低的熱導率。目前有機樹脂使用最多的是環(huán)氧樹脂，也常用聚乙烯醇縮丁醛、丙烯酸酯、聚氨酯等改性的環(huán)氧樹脂。還有一些其他種類的樹脂如酚醛樹脂、聚酰亞胺樹脂、聚對苯二甲酸乙二醇酯以及聚苯醚等。

導熱絕緣層的導熱性主要取決于其中的填料，可供選擇的填料有Al2O3、MgO、ZnO、BeO、h-BN、Si3N4以及AlN等。其中，Al2O3雖然熱導率不高，但是其球形度好，容易在有機樹脂中分散，適宜高填充量，并且價格便宜，因此應(yīng)用較多。

高導熱金屬基板材料的生產(chǎn)廠家主要以美國貝格斯、日本理化工業(yè)所、CMK、松下、利昌工業(yè)株式會社等為代表，相關(guān)產(chǎn)品牌號和特性如表2所示。例如，美國貝格斯公司作為熱管理領(lǐng)域的領(lǐng)導廠商，引領(lǐng)了當前鋁基板的發(fā)展潮流；

日本發(fā)條公司生產(chǎn)的高散熱基板熱導率可達10 W/(m?K)，主要應(yīng)用在汽車電子器件、中低功率電力電子器件封裝領(lǐng)域；松下公司開發(fā)的CV-2079系列產(chǎn)品熱導率分別為3、5、10 W/(m?K)的基板材料，主要包括高導熱環(huán)氧樹脂和無機填料，該系列產(chǎn)品具有一定的剛性，不易折斷。

國外高導熱金屬基板材料主要技術(shù)參數(shù)

1.3 陶瓷基板用介質(zhì)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。目前所知的能夠用于絕緣基板的、導熱性能優(yōu)越的材料當屬金剛石，其熱導率高達3 000 W/(m?K)，其他的具有強共價鍵鍵合結(jié)構(gòu)的Al2O3、AlN等單晶共價鍵材料熱導率也僅大于30 W/(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(shù)對比如表3所示。

陶瓷絕緣層材料性能參數(shù)

Al2O3是常用的陶瓷絕緣層材料，具有與鍍覆金屬附著力高、機械強度高以及成本低的優(yōu)點。

不過Al2O3的熱導率相對較低，不適用于高功率密度半導體器件；

AlN材料的熱導率比較高，相應(yīng)的基板具有良好的散熱性，更適用于高功率密度半導體電力電子器件的封裝。另外，AlN的熱膨脹系數(shù)也與Si和SiC比較接近，在器件受熱時有利于保持穩(wěn)定的封裝結(jié)構(gòu)；

Si3N4的熱膨脹系數(shù)也與SiC接近，是理想的基板材料，同時其斷裂韌性和撓曲強度高，有利于增加覆銅層的厚度，從而提高基板的電流承載能力，不過Si3N4的成本較高，并且熱導率比較低。

除了以上3種陶瓷絕緣層材料，還有BeO，其熱導率比上述3種陶瓷絕緣層材料高，但是因為有劇毒，不能實際應(yīng)用于電力電子器件封裝。

陶瓷基板按結(jié)構(gòu)與制作工藝可以分為：厚膜陶瓷基板（Thick Film Ceramic，TFC）、直接鍵合銅陶瓷基板（Direct Bonded Copper，DBC）、直接電鍍覆銅陶瓷基板（Direct Plated Copper，DPC）以及活性金屬釬焊陶瓷基板（Active Metal Bond，AMB）等。

其中，TFC是指用絲網(wǎng)印刷技術(shù)將金屬漿料涂覆在陶瓷基片表面，經(jīng)過干燥、在700～800℃高溫下燒結(jié)等流程制備基板。金屬漿料一般由金屬粉末（Ag-Pd或Ag-Pt）、有機樹脂和玻璃粉組成，高溫燒結(jié)后，樹脂粘合劑被燃燒掉，剩下的幾乎是純金屬。燒結(jié)后的金屬層厚度為10～20 μm，最小線寬為0.3 mm。這種技術(shù)的特點是技術(shù)成熟、成本較低，多應(yīng)用于對圖形精度要求不高的電子封裝領(lǐng)域。

DBC是指由AlN或Al2O3陶瓷基片與銅箔在高溫下（1065℃）共晶燒結(jié)而成，然后再刻蝕成所需要的線路圖案。DBC的優(yōu)點是導熱性好、絕緣性好、可靠性高，缺點是DBC對設(shè)備和工藝控制要求較高，基板成本高，并且Al2O3與銅層間容易產(chǎn)生微氣孔，不利于產(chǎn)品的熱沖擊性能，另外，DBC一般要求表面銅箔厚度大于100μm，刻蝕基板圖形的最小線寬大于100μm。也有研究者將銅替換為鋁，制備直接覆鋁陶瓷基板（DAB），DAB具有更高的溫度循環(huán)能力，有望成為DBC的補充。

DPC采用電鍍銅箔技術(shù)，優(yōu)點是容易實現(xiàn)較小線寬間距的電路圖案及三維通孔連接，但因鍍銅箔厚度及載流能力有限，一般用于中低功率器件，如LED等應(yīng)用場合。

隨著碳化硅模塊的上車應(yīng)用，AMB基板受到越來越多的關(guān)注，AMB基板釬料中的少量活性元素如鈦（Ti）、鋯（Zr）等與陶瓷反應(yīng)時，該反應(yīng)層可被熔化的釬料潤濕，從而實現(xiàn)陶瓷與金屬的連接。該技術(shù)因采用了釬焊緩沖層連接技術(shù)，具有粘接強度高、可靠性好等優(yōu)點，其結(jié)合Si3N4陶瓷介質(zhì)基板，在新一代SiC電力電子應(yīng)用中前景可期。

2、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(huán)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(zhì)柔軟，具有一定的防震功能；后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系數(shù)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系數(shù)。

2.1 有機硅灌封材料

灌封是指在可操作時間內(nèi)將灌封材料——通常為有機填充介質(zhì)，灌入到電力電子器件的功能模塊內(nèi)，經(jīng)過一定條件固化形成彈性膠態(tài)。灌封膠不僅對模塊器件和電子線路起到防潮、防塵、緩沖防震作用，還能夠抵抗環(huán)境對元器件和芯片的腐蝕和沖擊，降低模塊器件的失效概率。灌封防護具有良好的絕緣、防震和隔離作用，可將外界的不良影響因素降到最低，因而在裝備的防護，尤其是高壓大功率元器件和組件的防護中起到越來越重要的作用。

常用的有機灌封材料主要有環(huán)氧樹脂、聚氨酯和有機硅凝膠3大類。

環(huán)氧樹脂灌封膠的優(yōu)點表現(xiàn)為力學性能好、收縮率小、電絕緣性能優(yōu)良以及與元器件粘接性能好；缺點為硬度大、易變黃、防潮性能差和耐老化性能差，而且透光性差導致檢測線路故障時不易觀察。同時由于環(huán)氧樹脂固化時有一定內(nèi)應(yīng)力，耐溫沖擊性不好，固化后可維修性差。環(huán)氧樹脂灌封膠通常適用于LED、控制模塊、變壓器等精密性要求不高的器件。

聚氨酯灌封膠硬度比環(huán)氧樹脂灌封膠小，彈性好并且透明度高，對各種材料有良好的粘接力，具有更優(yōu)異的防水、耐酸腐蝕性能；但也有易變色、易老化、耐熱性差、易起泡等缺點，此外聚氨酯灌封膠在工藝操作中除氣泡困難，未除盡的氣泡可能造成線路脫落、開關(guān)失靈等情況。聚氨酯灌封膠通常在電感器、變阻器、電路板等不發(fā)熱或發(fā)熱量小的器件中應(yīng)用較多。

近年來有機硅灌封膠已經(jīng)發(fā)展為IGBT模塊器件最常用的灌封材料，有機硅材料擁有Si-O-Si主鏈結(jié)構(gòu)，Si-O骨架使有機硅材料具有優(yōu)異的耐高低溫、耐輻射、耐老化、耐臭氧、絕緣性能，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生及電子設(shè)備等領(lǐng)域。有機硅灌封膠是一種柔韌性較好的軟彈性體，具有優(yōu)異的防震緩沖功能。硬度比聚氨酯灌封膠小，更適用于精密的電子器件灌封。下表中總結(jié)了目前國內(nèi)外市場上主要商業(yè)化有機硅灌封膠的產(chǎn)品及其性能參數(shù)。

商業(yè)有機硅灌封膠性能參數(shù)

2.2 環(huán)氧塑封材料

封裝材料的主要作用是保護電路內(nèi)部芯片，隔絕外界環(huán)境對芯片的影響，因此應(yīng)具有較高的機械強度和熱導率，較低的熱膨脹系數(shù)和吸水率，較好的電氣絕緣性能等。從組成上，封裝材料可分為金屬封裝材料、陶瓷封裝材料和塑料封裝材料，其中，塑料封裝材料（簡稱塑封材料）約占95%以上。塑封材料又以環(huán)氧樹脂為主，目前，環(huán)氧塑封材料作為電子元器件和集成電路封裝材料廣泛應(yīng)用于電力電子、航空航天以及汽車行業(yè)。

環(huán)氧塑封材料是一種高分子復合材料，通常選用環(huán)氧樹脂作為基體，將固化劑、固化促進劑、偶聯(lián)劑、脫模劑、填充劑、阻燃劑以及其他助劑按照一定的比例，通過適當?shù)墓に嚮鞜捴苽涑森h(huán)氧模塑料（Epoxy Molding Compound，EMC）。表5總結(jié)了環(huán)氧模塑料中各組分的含量和功能。

環(huán)氧模塑料的組成和功能

環(huán)氧樹脂作為塑封材料具有很多優(yōu)異的性能，例如：粘接性好，與多種物質(zhì)都具有很強的粘附性；固化收縮性好，交聯(lián)固化時不產(chǎn)生小分子副產(chǎn)物；交聯(lián)后形成致密的三維立體結(jié)構(gòu)，力學性能優(yōu)良，交聯(lián)固化后的環(huán)氧樹脂不含活潑基團和游離的離子，并且吸水能力弱，具有良好的介電性能和電絕緣性；交聯(lián)后的環(huán)氧樹脂化學性質(zhì)穩(wěn)定等。

國外環(huán)氧塑封材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展較早，產(chǎn)品占據(jù)大多數(shù)中高端位置，如日本電工株式會社、日本化成株式會社、日本東芝、漢高旗下的Hysol等。我國環(huán)氧樹脂產(chǎn)業(yè)起步相對較晚，近幾年來涌現(xiàn)了一批新興的環(huán)氧樹脂企業(yè)，如長沙化工新材料有限公司、江陰天星保溫材料有限公司等。

環(huán)氧塑封材料因其剛性特性以及熱膨脹系數(shù)與芯片等連接材料差別顯著，加之其耐溫性能有限，故常用于中低壓MOSFET電力電子模塊應(yīng)用中，近年來在SiC MOSFET及雙面IGBT模塊的前沿應(yīng)用亦已有報道。

3、熱界面材料

高溫會對電力電子器件的可靠性、穩(wěn)定性及使用壽命產(chǎn)生不利影響，因此，將電力電子器件產(chǎn)生的熱量及時、有效地排除出去是系統(tǒng)封裝的一個重要方面。熱界面材料（Thermal Interface Material，TIM），涂敷于散熱電子元件（熱沉）與發(fā)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，電子元件封裝示意圖以及熱界面材料在其中的作用機制如圖5所示。

熱界面材料作用機制

在芯片和熱沉之間存在極小的不平整空隙，若將兩個元件直接安裝在一起，它們實際接觸面積只有散熱元件面積的10%左右，其他均為空氣間隙。

空氣是熱的不良導體，熱導率只有0.024 W/(m?K)，嚴重影響熱量傳遞。而高導熱的熱界面材料可以填滿空氣間隙，改善產(chǎn)熱元件與散熱元件之間的接觸，建立有效的熱傳遞通道，降低界面接觸熱阻，最大程度發(fā)揮散熱元件的作用。

熱界面材料種類繁多，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。

導熱膏是由具有一定黏度的液體和高導熱固體填料通過混合脫泡制成的膏狀材料。傳統(tǒng)導熱膏即導熱硅脂，主要組分為硅油和無機填料，其中硅油選自二甲基硅油、乙烯基硅油、苯基甲基硅油等，無機填料選自金屬（Ag、Cu、Al等）、氧化物（Al2O3、ZnO等）、氮化物（BN、AlN等）以及碳材料（碳納米管、石墨烯等）。新型導熱膏使用具有良好流動性和黏度且導熱性優(yōu)異的液體介質(zhì)，如液態(tài)金屬替代硅油，與高導熱填料混合，制備導熱性更好的熱界面材料。

導熱膠黏劑是將液態(tài)聚合物材料灌封到功能模塊或電子元件中，固化后形成導熱性優(yōu)異的熱固性聚合物材料。填充高導熱填料可獲得導熱性能更好的復合型導熱膠黏劑，按照填料導電與否可將導熱膠黏劑分為導熱電絕緣膠黏劑（如AlN/環(huán)氧膠）和導熱導電膠黏劑（如Ag/環(huán)氧膠）。根據(jù)聚合物基體的不同又可將導熱膠黏劑分為有機硅、聚氨酯、環(huán)氧等膠黏劑。導熱膠黏劑工藝簡便且價格低廉，廣泛應(yīng)用于電力電子器件領(lǐng)域。

導熱相變材料是指隨著溫度升高由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)、降低界面熱阻并實現(xiàn)熱量傳遞的一種新型熱界面材料，起到防止元件繼續(xù)升溫并充分潤濕界面固體的功能。該類材料由于低成本、特有的物理性質(zhì)以及便于設(shè)計的靈活性和可靠性引起了廣泛關(guān)注。根據(jù)相變材料的化學成分，可將其分為無機類相變材料、有機類相變材料和混合類相變材料。其中，石蠟是最常見的一種相變材料，向石蠟中填充高導熱填料可制備導熱性能良好的相變材料。研究人員將導熱相變材料用于各種類型電力電子器件的溫度管理，如各種散熱器設(shè)計。

導熱墊片，或稱之為導熱彈性體，通常是以高分子聚合物材料為基體，添加高導熱填料和助劑經(jīng)過加熱固化形成的一種導熱界面片狀材料，這種材料一般是軟質(zhì)的，并且彈性較好。導熱墊片不但能填充在產(chǎn)熱元件和散熱元件之間的縫隙從而實現(xiàn)熱傳遞，還能起到密封、減震和絕緣的作用。導熱墊片工藝技術(shù)簡單、適用范圍廣，是一種優(yōu)異的柔性熱界面材料。隨著電力電子器件不斷向高功率、耐高溫方向發(fā)展，其中界面熱導材料也逐漸朝著高溫穩(wěn)定的金屬或石墨烯等超高界面熱導材料方向過渡。

4、結(jié)論與展望

導熱絕緣基板材料、灌封和塑封等包封保護材料以及界面導熱材料等導熱絕緣材料對電力電子器件的絕緣封裝和高效運行起著至關(guān)重要的作用。

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(fā)展促使封裝結(jié)構(gòu)逐漸趨于微型化和高功率密度化，這對相應(yīng)的封裝材料提出了更高要求。

目前，國內(nèi)在導熱絕緣領(lǐng)域的研究還落后于日本、歐美國家。例如，現(xiàn)階段的研究工作或者專注于導熱絕緣材料的失效檢測，對于材料本身改性和新材料的開發(fā)研究較少；或者停留在材料本征性能的考察上，針對導熱絕緣材料與器件之前的關(guān)聯(lián)性關(guān)注不夠。

為獲得性能更優(yōu)異的電力電子封裝材料，仍需加強在該領(lǐng)域的研發(fā)投入，基于材料本身分子結(jié)構(gòu)與材料性能關(guān)系并與電力電子器件可靠性機理建立關(guān)聯(lián)機制，開發(fā)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(xiàn)電力電子器件向更高工作電壓、更高工作溫度和更快開關(guān)速度的方向發(fā)展。