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IGBT模块材料特性的热导率和热膨胀系数

作者:海飞乐技术 时间:2018-10-29 17:45

  IGBT功率模块内部由多层堆叠而成,各层的材料不同,其主要的作用也不同。金属、陶瓷、硅凝胶和环氧树脂塑料等,是目前功率半导体器件封装的主要材料。不同材料的不同特性对IGBT器件的整体性能有着十分重要的影响,其中最主要的是影响散热效果的材料热导率和影响封装体内部各层间应力的材料热膨胀系数。
 
  1. 材料的热导率
  材料的热导率体现了材料的导热能力,热导率越大,散热效果越好,热阻越小。根据现有资料,金属(水银除外)往往比非金属的热导率要大,纯金属的热导率比合金热导率大,合金比金属-非金属混合物热导率大。
 
  IGBT模块内部结构主要由基板、DBC板、焊接材料和其他封装材料组成。常见DBC板材料的热导率如表1所示。BeO陶瓷的热导率最高,但由于BEO粉末有毒性,在生产制造过程中较为麻烦,限制了在工业中的广泛应用。AH2O3陶瓷绝缘性好,价格也相对便宜很多,是目前应用最广的DBC板材,但由于其热导率较低,散热效果差,对于散热效果要求较高的情况,有一定局限。Si3N4的热导率大约是AH2O3陶瓷的三倍,散热效果较好,热膨胀系数为3×10-6(K-1),与基板材料的热膨胀系数相差较大,需要特殊的焊接材料来增强封装模块的可靠性。AlN陶瓷的热导率较高,在环境温度较高的恶劣环境散热效果较好。在某些特殊应用场合,功率系统的损耗非常大,AlN陶瓷材料受到了广大设计者的青睐。

表1 常见DBC板材料的热导率 单位:W/(m*K)
常见DBC板材料的热导率 
 
  常见基板材料的热导率如表2所示。不同的基板材料,散热效果不同,同时也会带来不同的热应力,对系统的可靠性影响不同。ER-Al2O3材料的热膨胀系数为6.5×10-6(K-1),与Si较为接近,但其热导率非常小,不适宜应用在损耗较大的功率系统中。 铝基板、AlSiC基板和SiC基板的热导率接近,散热效果相当。铜基板的热导率最大,导热效果最好,可以快速的将芯片温度散发到环境中,降低芯片结湿,改善IGBT模块的温度场分布。
表2 常见基板材料的热导率 单位:W/(m*K)
常见基板材料的热导率 
 
  常见焊接材料的热导率如表3所示。纳米银焊膏热导率最高,其价格较高,主要应用在高精密封装模块系统中。SnPb焊料热导率较高,成本低,但由于金属铅会对环境造成污染,影响其在工业中使用。SnAg、SnAgCu和AuSn焊料的热导率较为接近,散热效果相当。在IGBT模块中,焊接材料的厚度非常小,在焊接质量相差不大的情况下,不同的焊接材料对模块整体的散热效果影响不大。因此焊接材料的重点是改善焊接工艺,提高焊接质量。
表3 常见焊接材料的热导率 单位:W/(m*K)
常见焊接材料的热导率 
 
  其他封装材料的热导率如表4所示。芯片材料、内部填充材料和外围塑封材料等的热导率对IGBT模块的散热也有一定程度的影响。
表4 其他封装材料的热导率 单位:W/(m*K)
其他封装材料的热导率 
 
  2. 材料的热膨胀系数
  热膨胀系数(CTE)是材料的一个十分重要的指标,单位为K-1,在电子器件封装中,是衡量器件可靠性的重要参数。IGBT模块大多采用堆叠封装结构,不同层之间的材料不同,由于热膨胀系数的不匹配产生热应力,在长时间的热循环或功率循环工作中会影响器件的可靠性。
表5 常见封装材料的热膨胀系数 单位10-6*K-1
常见封装材料的热膨胀系数 
 
  表5所示为常见封装材料的热膨胀系数。IGBT堆叠模块从上至下依次是硅芯片、芯片焊接材料、DBC陶瓷板、焊接材料和基板。在材料选择时使其他层材料的热膨胀系数尽量与硅芯片的热膨胀系数相近。对于焊接材料来说,SnPb的热膨胀系数为24×10-6K-1,SnAg的热膨胀系数为21.7×10-6K-1,两者与硅芯片的热膨胀系数相差较大,焊接材料非常薄,要承受芯片和DBC陶瓷板的周期性应力,同时由于焊接工艺的限制,两层焊料层成为IGBT模块内部最薄弱的部分之一。
 
  对于基板材料,铝基板的热导率比铜基板低,热膨胀系数比铜基板高,两者与硅芯片的热膨胀系数相差较大,往往不会直接将芯片焊接在金属基板上,中间通过DBC陶瓷板来减缓在功率循环或者热循环中产生的热应力,提高IGBT器件的可靠性,目前铜基板广泛的应用在IGBT封装模块中。AlSiC基板的热导率与铅基板相近,热膨胀系数与Si芯片相近,质量轻,可塑性强,不易变形,在功率器件封装中有广泛的应用前景。
 
  对于陶瓷基板材料,由于BeO粉末有毒,限制其应用,故不做考虑。Al2O3板的热膨胀系数比AlN陶瓷板略高,两者与硅芯片的热膨胀系数匹配性高,由于AlN陶瓷的导热率更高,在高功率密度的封装中体现出更好的优势。
 
  其他封装材料比如环氧树脂和硅凝胶等,在IGBT模块封装中的作用也较为重要,保护不受外界的损伤,材料有高击穿场强,使IGBT器件的绝缘强度大大增强。




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