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常州瑞華電力電子器件有限公司
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覆銅鋁基板在功率??櫸庾吧系難芯?/font>
發布時間:2015-5-20  瀏覽次數:4709

項羅毅,孫祥玉,邵凌翔,陳 

(常州瑞華電力電子器件有限公司,江蘇 常州213200

  要:隨著工業產品的小型化、輕型化、智能化的發展,對電力電子器件的封裝提出了越來越高的要求,功率??櫚姆庾耙丫晌繾悠骷嶁突?、小型化發展的瓶頸。由于覆銅鋁基板具有質量輕、導熱好、成本低等優點,因此在功率??櫚目燜俜庾爸芯哂薪洗蟮撓τ們熬?/span>。本文重點介紹了鋁基板在功率??檣系姆⒄購陀攀?,并通過試驗對比了傳統陶瓷基板,論證了新型覆銅鋁基板具有優異的性能,能夠滿足小功率??櫚既群湍脫溝男閱芤?。

關鍵詞:覆銅鋁基板;封裝;導熱;功率???span lang="EN-US">

The research of Al-based Copper Clad Laminate in the power modules’ packaging

Xiang Luoyi,Sun Xiangyu,Shao Lingxia,Chen Chen

Abstract:With the development of industrial products which have characters of downsizing, lightness and intelligence.The package of power electronic devices become more and more important.Power module packaging has become a bottleneck of electronic devices in the light and small development.Al-based Copper Clad Laminate has the advantages of light weight, good thermal conductivity, low cost etc,So it will have wide application prospect in the rapid packaging of power modules.This paper mainly introduces the developments and advantages of aluminum substrate in the power module,and through the comparative test of traditional ceramic substrate,Al-based Copper Clad Laminate has excellent performances,which can meet the performance requirements of thermal conductivity and Isolation Voltage in small power modules.

Key words: Al-based Copper Clad Laminate;Package;Thermal Conductivity;Power module

作者簡介:項羅毅(1986),男,江蘇常州,本科,機械加工。

中圖分類號:TH142.2            文獻標識碼:A       文章編號:

電力電子技術作為節能、環保、自動化、智能化、機電一體化的基礎,已被廣泛應用于農業、工業、商業等各領域,在國民經濟中具有十分重要的地位。電力電子器件的產生與不斷發展是電力電子技術產生與發展的基礎。功率???/span>創新與封裝工藝,已成為世界各國工業機電一體化和自動化控制等領域內競爭最為激烈的陣地。為實現用電設備的高效節能,同時實現工控設備的小型化、輕型化、智能化,需要從新材料應用的上創新,以此推動電力電子器制造工藝的技術創新,提高器件的可靠性。

經三十多年的發展,陶瓷基板在電子封裝領域中已得到了廣泛的應用。特別是近十年來,覆銅陶瓷基板(DBC)得到了較大的發展,其相比傳統的陶瓷基板,具有潤濕性好、焊點強度高、導熱性好等優點,在功率??櫸庾爸芯哂幸歡ǖ撓攀?。但是散熱銅底板與金屬化基板之間有焊錫層,不同材料之間本身有較大的熱阻,加上焊接層的厚度和焊接質量都會影響基板材料整體的散熱性能。同時傳統的封裝材料密度高、質量重,影響??榍嶁突⒄?。

現用于小功率設備(20kW以下)如逆變焊機、變頻器、光伏逆變器等(如圖1所示)上的功率器件(一般為60A以下)市場需求量很大,依據我司此類產品銷售量一年大約在25萬只左右,傳統的封裝工藝很難滿足工業產品小型化、輕型化的發展需求。目前,覆銅鋁基板具有質量輕、導熱好、成本低等優勢,同時能夠使小功率??櫸庾骯ひ占虻セ?,因此覆銅鋁基板技術在小功率??櫸庾爸?/span>具有較大的應用前景。本課題在對比了傳統陶瓷基板的基礎上,研究了新型覆銅鋁基板具有優異的性能,能夠滿足了小功率??榭燜俜庾暗囊?。既符合功率??榍嶁突?、小型化現代發展的要求,又能夠降低功率??櫚鬧圃斐殺競吞岣吖β誓?櫓柿?,具有深遠的影響。


1 逆變設備典型應用

1 功率??檣⑷然宓姆⒄?span lang="EN-US">

    功率??櫓饕糜詬叩繆?、大電流的場合,所產生的熱量主要通過散熱基板傳導到外殼而散發出去。功率??楣ぷ髦械娜攘恐饕醋?/span>PN結產生的熱量,其結溫通常在125℃~175之間,一旦超過PN結允許的耗散功率,就會因熱量散發不出去而導致PN結溫度上升,直至過熱而燒毀,造成芯片熱擊穿。因此散熱基板的高散熱性能至關重要。

功率??檣嫌τ米罟愕奈沾苫?,主要是Al2O3陶瓷表面焊接區域覆鎳或銀,具有較好的潤濕性,但是焊點強度較差。為了提高陶瓷材料導熱能力,出現了高導熱的AlN、SiC陶瓷基板,但是價格昂貴,應用較少。近十年來,覆銅陶瓷基板(DBC)的出現,使傳統的陶瓷基板的有了較大的改善,其具有焊接性好、散熱好的特點,在功率??檣嫌薪瞎惴旱撓τ?,但相比傳統陶瓷基板價格仍然較高。

而近幾年,覆銅鋁基板在LED燈行業的應用,使小功率??楸淶們嶁突?、小型化看到了曙光。在這里不得不介紹一下金屬基板的發展。金屬基板主要有金屬芯基板、包覆型金屬基板、金屬基板三種。現在金屬芯基板基本已經看不見了。而較為少見的是包覆型金屬,在其表面包裹一層釉料,起到絕緣層的目的,在此基礎上經絲網漏印、燒結制成一層金屬焊接層。如今應用最廣泛的是金屬基板,它是以金屬板(銅、鋁、鐵等)為底材,在其覆上有樹脂作為絕緣層,然后再覆上導電層。其中最為常見的覆銅鋁基板,如圖2所示。

                
2 覆銅鋁基板

早在上世紀五十年代,日本專家就已經有金屬基覆銅箔這種設想,而直到1969年該制造技術由日本三洋電機公司首次開發成功。在我國鋁基板起步較晚,發展較慢。但是覆銅鋁基板還是以其最優的性價比,優異的電氣性能、散熱性、電磁屏蔽性、高耐壓,在新興的LED燈、微電子等行業得到廣泛應用。

早期的覆銅鋁基板熱導率較差,究其原因主要是所使用的FR-4半固化片熱導率非常低,僅為0.150.25 W/mk。這種傳統的絕緣層是由覆有環氧玻璃布半固化片制成的多層結構。常見的有機材料的性能如表1所示。這種傳統結構不僅存在散熱問題,而且高溫下焊接時由于熱膨脹系數不一致存在絕緣層與金屬基板分離問題。而最近幾年,改進的絕緣層新型覆銅鋁基板具有較大的優勢,解決了分層問題,同時熱導率低的問題也大大改善。由BN、Al2O3、Si3N4等陶瓷顆粒組成的混合填充料而改性的環氧樹脂熱導率可達3 W/mK左右。除此之外,絕緣層的絕緣耐壓能力也得到了顯著提高。這些無機材料具有很好導熱和介電性能,常見的無機填料的性能如下表2所示。

1 常見的有機材料的性能

有機材料

熱導率

W/mK

介電常數

擊穿強度Ev

Kv/mm

環氧玻璃布

0.3

4.6

2

環氧樹脂

0.2

4.8

40

PI樹脂

0.38

4.1

50

PET樹脂

0.15

3.9

52

PPO樹脂

0.17

2.8

40








 
         

2 無機填料的性能

無機填料

密度

g/cm-3

熱導率

W/mK

熱膨脹系數

10-6/

擊穿強度Ev

Kv/mm

BN

2.18

250300

4.5

35.655.4

Al2O3

3.97

30

6.6

30-40

Si3N4

3.2

155

2.53.5

15.819.8

SiO2

2.33

1.5

0.5

7.8

AlN

3.27

160260

4.4

15

    






  目前國內外普遍采用在絕緣層中添加高導熱的陶瓷顆粒,并填料的比例進行調整以滿足熱導率指標的同時,對樹脂進行改性使其具有較好的電學和機械加工性能。因此,這種新型覆銅鋁基板在功率??櫸庾熬哂薪洗蟮撓τ們熬?。

3 覆銅鋁基板在功率??檣系男閱苧芯?span lang="EN-US">

為了更好地說明覆銅鋁基板在小功率???/span>(一般為60A以下)上的優勢,我們采用覆銅鋁基板和傳統陶瓷基板進行對比實驗,比較其封裝后的導熱、絕緣耐壓性能指標。

3.1 實驗過程

3.1.1 實驗材料

    試樣1DBC陶瓷基板1片,散熱銅底板1片,芯片若干,支架若干,采用傳真空焊接工藝進行焊接。

    試樣2:覆銅鋁基板1片,芯片、支架與試樣1同量同質,也采用傳真空焊接工藝進行焊接。材料規格如表3所示。

3 實驗所使用材料

材料

尺寸規格

AxBxH /mm

材質

質量

g

DBC陶瓷基板

20X20X0.63

覆銅Al2O3基板

1

散熱銅底板

20X20X3

紫銅

16

覆銅鋁基板

20X20X1.5

復合材料

3






                       
3.1.2
儀器設備

實驗使用到游標卡尺、絕緣耐壓測試儀、真空燒結爐等。

3.1.3 實驗方法

   

         

       3 試樣1的裝配結構        4 試樣2的裝配結構                       

   根據不同的試樣材料,采用不同的焊接方案。試樣1采用傳統的焊接工藝,需要針對散熱銅底板和DBC陶瓷基板進行絲網印刷,然后將DBC陶瓷基板覆于散熱銅底板上,裝配芯片和支架等放入真空爐燒結,其裝配結構如圖3所示。試樣2由于覆銅鋁基板自身的優點-有絕緣層,因此無需絲網印刷只要在鋁基板上直接進行自動點膠處理,就可直接裝配進行燒結,其裝配結構如圖4所示。

3.2 實驗結果

采用不同實驗材料,通過真空燒結后得到試樣1和試樣2,我們可以觀察到實驗的焊接效果,如圖5(試樣1的焊接面正面、側面圖)和圖6(試樣2的焊接面正面、側面圖)所示。

                            

                     試樣1正面                                                           試樣1側面

5 試樣1采用DBC板和散熱銅底板焊后效果

                            

                      試樣2正面                                                           試樣2側面

6 試樣2采用覆銅鋁基板焊后效果

        除了需要觀察試樣的焊接效果,我們更需要關注覆銅鋁基板的導熱和電氣性能。我們針對試樣1和試樣2,進行相關的測試和計算。

3.2.1導熱性能比較

物體的導熱性能常常用熱阻來衡量,其表示對物體對熱量傳導的阻礙效果。

熱阻的公式 為:Rth=d/K*A

d表示材料的厚度,K表示介質導熱系數,A表示導熱等效截面積。從公式可見,熱阻與材料厚度成正比,與導熱系數和導熱有效面積成反比。所以在產品小型化、輕型化的發展要求上我們更希望材料導熱系數越大,材料的厚度越薄。

試樣1的熱阻主要有第一層焊錫層R1、DBC覆銅板R2、第一層焊錫層R3和銅底板R4構成。試樣2的熱阻主要有鋁板R5、絕緣層R6、焊錫層R7。為了便于計算我們都忽略DBC銅片和鋁基板銅箔的影響,同時假設焊錫層均為0.1mm厚,整個散熱面積A=400mm2,比較電極支架以下部分散熱通道的熱阻。查文獻資料可知錫料導熱系數60 W/m.K,Al2O3陶瓷導熱系數30 W/m.K,銅導熱系數398 W/m.K,鋁導熱系數238 W/m.K,鋁基板絕緣層導熱系數3 W/m.K。

焊錫層熱阻         R1=d1/K1*A1=0.1x10-3/60X400X10-6=0.004167(K/w),R3=R1=R7

陶瓷基板熱阻      R2=d2/K2*A2=0.63x10-3/30X400X10-6=0.0525(K/w)

銅底板熱阻         R4=d4/K4*A4=3x10-3/398X400X10-6=0.018844(K/w)

鋁板熱阻           R5=d5/K5*A5=1.42x10-3/238X400X10-6=0.014916(K/w)

鋁基板絕緣層熱阻   R6=d6/K6*A6=70x10-6/3X400X10-6=0.066667(K/w)

   試樣1總的熱阻R=R1+R2+R3+R4=0.079678(K/w),而試樣2總的熱阻R0=R5+R6+R7=0.085750(K/w)??杉匝?span lang="EN-US">2的熱阻僅比試樣1稍高,但從實際焊接角度考慮,傳統焊接多了一焊錫層,往往不可避免存在空洞,使其熱阻大大增加。而覆銅鋁基板的絕緣層不存在空洞問題,復合較好,因此與理論值更為接近。

3.2.2 絕緣耐壓性能比較

焊后的試樣1和試樣2均用絕緣耐壓測試儀(如圖7所示)進行測試,測試時電極端子全部短接,測試電壓加載在底板和電極之間。測試條件為在AC2500V條件下進行測試,測試1分鐘,漏電流IISO1mA。
                                


3-5 絕緣耐壓測試儀

經測試試樣1的漏電流IISO=0.08mA,而試樣2的漏電流IISO=0.23mA,均能滿足絕緣耐壓性能要求。

通過上述實驗發現,與傳統陶瓷基板相比,覆銅鋁基板在熱阻上相差不大,而絕緣耐壓漏電流稍大,但是完全能滿足小功率??櫚既群湍脫溝男閱芤?。

4 結束語
   覆銅鋁基板已廣泛應用于LED燈、微電子燈領域。它具有傳統陶瓷基板無法比擬的優勢:
(1)可以大大降低功率??櫚鬧柿?,滿足??榍崍炕⒄溝男棖?,而傳統??櫚納⑷韌裝搴吞沾苫迕芏冉洗?,質量較重;

   (2)可以使功率??櫸庾氨淶酶蛹虻?,省去陶瓷基板和散熱銅底板絲網印刷等工序,生產周期大大縮短,利于??樽遠?;

   (3)具有較好的導熱和介電性能;

   (4)覆銅鋁基板要比散熱銅底板和DBC陶瓷基板價格要低得多,能使功率??櫚納殺敬蟠蠼檔?。

綜合考慮功率??櫚納殺?、工藝,以及優良的性能,覆銅鋁基板具有巨大的潛力,可以作為新型功率??櫸庾盎宀牧?。但是其焊點的力學性能遠不到傳統封裝工藝的強度,因而目前僅在小功率??檣暇哂瀉艽蟮撓τ們熬?。大功率??櫚撓τ沒褂寫擋愀春喜牧閑閱艿納釗胙芯?,其剝離強度和導熱性能的需要進一步提高。

參考文獻

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