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IGBT模塊材料特性的熱導率和熱膨脹系數

作者:海飛樂技術 時間:2018-10-29 17:45

  IGBT功率模塊內部由多層堆疊而成,各層的材料不同,其主要的作用也不同。金屬、陶瓷、硅凝膠和環氧樹脂塑料等,是目前功率半導體器件封裝的主要材料。不同材料的不同特性對IGBT器件的整體性能有著十分重要的影響,其中最主要的是影響散熱效果的材料熱導率和影響封裝體內部各層間應力的材料熱膨脹系數。
 
  1. 材料的熱導率
  材料的熱導率體現了材料的導熱能力,熱導率越大,散熱效果越好,熱阻越小。根據現有資料,金屬(水銀除外)往往比非金屬的熱導率要大,純金屬的熱導率比合金熱導率大,合金比金屬-非金屬混合物熱導率大。
 
  IGBT模塊內部結構主要由基板、DBC板、焊接材料和其他封裝材料組成。常見DBC板材料的熱導率如表1所示。BeO陶瓷的熱導率最高,但由于BEO粉末有毒性,在生產制造過程中較為麻煩,限制了在工業中的廣泛應用。AH2O3陶瓷絕緣性好,價格也相對便宜很多,是目前應用最廣的DBC板材,但由于其熱導率較低,散熱效果差,對于散熱效果要求較高的情況,有一定局限。Si3N4的熱導率大約是AH2O3陶瓷的三倍,散熱效果較好,熱膨脹系數為3×10-6(K-1),與基板材料的熱膨脹系數相差較大,需要特殊的焊接材料來增強封裝模塊的可靠性。AlN陶瓷的熱導率較高,在環境溫度較高的惡劣環境散熱效果較好。在某些特殊應用場合,功率系統的損耗非常大,AlN陶瓷材料受到了廣大設計者的青睞。

表1 常見DBC板材料的熱導率 單位:W/(m*K)
常見DBC板材料的熱導率 
 
  常見基板材料的熱導率如表2所示。不同的基板材料,散熱效果不同,同時也會帶來不同的熱應力,對系統的可靠性影響不同。ER-Al2O3材料的熱膨脹系數為6.5×10-6(K-1),與Si較為接近,但其熱導率非常小,不適宜應用在損耗較大的功率系統中。 鋁基板、AlSiC基板和SiC基板的熱導率接近,散熱效果相當。銅基板的熱導率最大,導熱效果最好,可以快速的將芯片溫度散發到環境中,降低芯片結濕,改善IGBT模塊的溫度場分布。
表2 常見基板材料的熱導率 單位:W/(m*K)
常見基板材料的熱導率 
 
  常見焊接材料的熱導率如表3所示。納米銀焊膏熱導率最高,其價格較高,主要應用在高精密封裝模塊系統中。SnPb焊料熱導率較高,成本低,但由于金屬鉛會對環境造成污染,影響其在工業中使用。SnAg、SnAgCu和AuSn焊料的熱導率較為接近,散熱效果相當。在IGBT模塊中,焊接材料的厚度非常小,在焊接質量相差不大的情況下,不同的焊接材料對模塊整體的散熱效果影響不大。因此焊接材料的重點是改善焊接工藝,提高焊接質量。
表3 常見焊接材料的熱導率 單位:W/(m*K)
常見焊接材料的熱導率 
 
  其他封裝材料的熱導率如表4所示。芯片材料、內部填充材料和外圍塑封材料等的熱導率對IGBT模塊的散熱也有一定程度的影響。
表4 其他封裝材料的熱導率 單位:W/(m*K)
其他封裝材料的熱導率 
 
  2. 材料的熱膨脹系數
  熱膨脹系數(CTE)是材料的一個十分重要的指標,單位為K-1,在電子器件封裝中,是衡量器件可靠性的重要參數。IGBT模塊大多采用堆疊封裝結構,不同層之間的材料不同,由于熱膨脹系數的不匹配產生熱應力,在長時間的熱循環或功率循環工作中會影響器件的可靠性。
表5 常見封裝材料的熱膨脹系數 單位10-6*K-1
常見封裝材料的熱膨脹系數 
 
  表5所示為常見封裝材料的熱膨脹系數。IGBT堆疊模塊從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。在材料選擇時使其他層材料的熱膨脹系數盡量與硅芯片的熱膨脹系數相近。對于焊接材料來說,SnPb的熱膨脹系數為24×10-6K-1,SnAg的熱膨脹系數為21.7×10-6K-1,兩者與硅芯片的熱膨脹系數相差較大,焊接材料非常薄,要承受芯片和DBC陶瓷板的周期性應力,同時由于焊接工藝的限制,兩層焊料層成為IGBT模塊內部最薄弱的部分之一。
 
  對于基板材料,鋁基板的熱導率比銅基板低,熱膨脹系數比銅基板高,兩者與硅芯片的熱膨脹系數相差較大,往往不會直接將芯片焊接在金屬基板上,中間通過DBC陶瓷板來減緩在功率循環或者熱循環中產生的熱應力,提高IGBT器件的可靠性,目前銅基板廣泛的應用在IGBT封裝模塊中。AlSiC基板的熱導率與鉛基板相近,熱膨脹系數與Si芯片相近,質量輕,可塑性強,不易變形,在功率器件封裝中有廣泛的應用前景。
 
  對于陶瓷基板材料,由于BeO粉末有毒,限制其應用,故不做考慮。Al2O3板的熱膨脹系數比AlN陶瓷板略高,兩者與硅芯片的熱膨脹系數匹配性高,由于AlN陶瓷的導熱率更高,在高功率密度的封裝中體現出更好的優勢。
 
  其他封裝材料比如環氧樹脂和硅凝膠等,在IGBT模塊封裝中的作用也較為重要,保護不受外界的損傷,材料有高擊穿場強,使IGBT器件的絕緣強度大大增強。




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