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?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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?fù)浣Y(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(hù)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(dǎo)材料，都對(duì)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。
圖1 三菱SiC電力電子器件雙面封裝拓?fù)浣Y(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(hù)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(dǎo)材料。
圖2 典型IGBT電力電子模塊封裝結(jié)構(gòu)
本文基于當(dāng)前Si基和下一代SiC等寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件發(fā)展的趨勢(shì)，分別介紹上述絕緣封裝材料的現(xiàn)狀及進(jìn)展，并對(duì)未來新型絕緣封裝材料朝高導(dǎo)熱、耐高溫和高可靠性方向發(fā)展進(jìn)行展望。
1、電路板用導(dǎo)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(dǎo)性、耐電壓性、熱膨脹系數(shù)、機(jī)械強(qiáng)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(jí)的電力電子領(lǐng)域中。
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)。
圖3 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(dǎo)率，多用于對(duì)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(xué)性能更為優(yōu)良，因此，金屬基板具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
典型的金屬基板包括3層，如圖4所示，[敏感詞]層為導(dǎo)電層，即線路層，一般為銅箔；第二層為導(dǎo)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(fù)合導(dǎo)電基板等。
中間的導(dǎo)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(dǎo)熱性，較高的電氣強(qiáng)度，良好的柔韌性，并且能與金屬基板和線路層粘接良好。導(dǎo)熱絕緣層主要由提供粘接性能的有機(jī)樹脂和高導(dǎo)熱無機(jī)填料組成。
有機(jī)高分子材料結(jié)構(gòu)中通常含有較多的缺陷，分子振動(dòng)和晶格振動(dòng)不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致聲子散亂程度高，因此具有較低的熱導(dǎo)率。目前有機(jī)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(duì)苯二甲酸乙二醇酯以及聚苯醚等。
導(dǎo)熱絕緣層的導(dǎo)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(dǎo)率不高，但是其球形度好，容易在有機(jī)樹脂中分散，適宜高填充量，并且價(jià)格便宜，因此應(yīng)用較多。
高導(dǎo)熱金屬基板材料的生產(chǎn)廠家主要以美國(guó)貝格斯、日本理化工業(yè)所、CMK、松下、利昌工業(yè)株式會(huì)社等為代表，相關(guān)產(chǎn)品牌號(hào)和特性如表2所示。例如，美國(guó)貝格斯公司作為熱管理領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)廠商，引領(lǐng)了當(dāng)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(dǎo)率可達(dá)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(dǎo)率分別為3、5、10 W/(m?K)的基板材料，主要包括高導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂和無機(jī)填料，該系列產(chǎn)品具有一定的剛性，不易折斷。
國(guó)外高導(dǎo)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(dǎo)體器件中起連接芯片與外電路的作用，同時(shí)兼具支撐、散熱、保護(hù)和絕緣的功能。目前所知的能夠用于絕緣基板的、導(dǎo)熱性能優(yōu)越的材料當(dāng)屬金剛石，其熱導(dǎo)率高達(dá)3 000 W/(m?K)，其他的具有強(qiáng)共價(jià)鍵鍵合結(jié)構(gòu)的Al2O3、AlN等單晶共價(jià)鍵材料熱導(dǎo)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(duì)比如表3所示。
Al2O3是常用的陶瓷絕緣層材料，具有與鍍覆金屬附著力高、機(jī)械強(qiáng)度高以及成本低的優(yōu)點(diǎn)。
不過Al2O3的熱導(dǎo)率相對(duì)較低，不適用于高功率密度半導(dǎo)體器件；
AlN材料的熱導(dǎo)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(dǎo)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(shí)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(shí)其斷裂韌性和撓曲強(qiáng)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(dǎo)率比較低。
除了以上3種陶瓷絕緣層材料，還有BeO，其熱導(dǎo)率比上述3種陶瓷絕緣層材料高，但是因?yàn)橛袆《?，不能?shí)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(jī)樹脂和玻璃粉組成，高溫?zé)Y(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(diǎn)是技術(shù)成熟、成本較低，多應(yīng)用于對(duì)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(diǎn)是導(dǎo)熱性好、絕緣性好、可靠性高，缺點(diǎn)是DBC對(duì)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(bǔ)充。
DPC采用電鍍銅箔技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)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(chǎng)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(shí)，該反應(yīng)層可被熔化的釬料潤(rùn)濕，從而實(shí)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(qiáng)度高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，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(hù)用導(dǎo)熱絕緣材料
電氣保護(hù)一般采用真空或者有機(jī)絕緣包封兩種辦法將導(dǎo)電部分與環(huán)境隔離。其中有機(jī)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(qiáng)的力學(xué)性能，可對(duì)電氣連接起一定的機(jī)械固定功能，但因其與金屬導(dǎo)體等材料存在熱膨脹系數(shù)差異，容易導(dǎo)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(dǎo)率和低熱膨脹系數(shù)。
灌封是指在可操作時(shí)間內(nèi)將灌封材料——通常為有機(jī)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(duì)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(duì)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(hù)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[敏感詞]，因而在裝備的防護(hù)，尤其是高壓大功率元器件和組件的防護(hù)中起到越來越重要的作用。
常用的有機(jī)灌封材料主要有環(huán)氧樹脂、聚氨酯和有機(jī)硅凝膠3大類。
環(huán)氧樹脂灌封膠的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為力學(xué)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(diǎn)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(dǎo)致檢測(cè)線路故障時(shí)不易觀察。同時(shí)由于環(huán)氧樹脂固化時(shí)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(duì)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(diǎn)，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(jī)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(jī)硅材料擁有Si-O-Si主鏈結(jié)構(gòu)，Si-O骨架使有機(jī)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(jī)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(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上主要商業(yè)化有機(jī)硅灌封膠的產(chǎn)品及其性能參數(shù)。
商業(yè)有機(jī)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(hù)電路內(nèi)部芯片，隔絕外界環(huán)境對(duì)芯片的影響，因此應(yīng)具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和熱導(dǎo)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(jiǎn)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(fù)合材料，通常選用環(huán)氧樹脂作為基體，將固化劑、固化促進(jìn)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(dāng)?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(qiáng)的粘附性；固化收縮性好，交聯(lián)固化時(shí)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(xué)性能優(yōu)良，交聯(lián)固化后的環(huán)氧樹脂不含活潑基團(tuán)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(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等。
國(guó)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(huì)社、日本化成株式會(huì)社、日本東芝、漢高旗下的Hysol等。我國(guó)環(huán)氧樹脂產(chǎn)業(yè)起步相對(duì)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(zhǎng)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(bào)道。
高溫會(huì)對(duì)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(shí)、有效地排除出去是系統(tǒng)封裝的一個(gè)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(jī)制如圖5所示。
圖5 電子元件封裝示意圖和熱界面材料作用機(jī)制
從圖5可以看出，在芯片和熱沉之間存在極小的不平整空隙，若將兩個(gè)元件直接安裝在一起，它們實(shí)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(dǎo)體，熱導(dǎo)率只有0.024 W/(m?K)，嚴(yán)重影響熱量傳遞。而高導(dǎo)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，[敏感詞]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(dǎo)熱膏、導(dǎo)熱膠黏劑、導(dǎo)熱相變材料以及導(dǎo)熱墊片等。
導(dǎo)熱膏是由具有一定黏度的液體和高導(dǎo)熱固體填料通過混合脫泡制成的膏狀材料。傳統(tǒng)導(dǎo)熱膏即導(dǎo)熱硅脂，主要組分為硅油和無機(jī)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(jī)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(dǎo)熱膏使用具有良好流動(dòng)性和黏度且導(dǎo)熱性優(yōu)異的液體介質(zhì)，如液態(tài)金屬替代硅油，與高導(dǎo)熱填料混合，制備導(dǎo)熱性更好的熱界面材料。
導(dǎo)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(dǎo)熱性優(yōu)異的熱固性聚合物材料。填充高導(dǎo)熱填料可獲得導(dǎo)熱性能更好的復(fù)合型導(dǎo)熱膠黏劑，按照填料導(dǎo)電與否可將導(dǎo)熱膠黏劑分為導(dǎo)熱電絕緣膠黏劑（如AlN/環(huán)氧膠）和導(dǎo)熱導(dǎo)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(dǎo)熱膠黏劑分為有機(jī)硅、聚氨酯、環(huán)氧等膠黏劑。導(dǎo)熱膠黏劑工藝簡(jiǎn)便且價(jià)格低廉，廣泛應(yīng)用于電力電子器件領(lǐng)域。
導(dǎo)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(shí)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(rùn)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(jì)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(xué)成分，可將其分為無機(jī)類相變材料、有機(jī)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(dǎo)熱填料可制備導(dǎo)熱性能良好的相變材料。研究人員將導(dǎo)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(jì)。
導(dǎo)熱墊片，或稱之為導(dǎo)熱彈性體，通常是以高分子聚合物材料為基體，添加高導(dǎo)熱填料和助劑經(jīng)過加熱固化形成的一種導(dǎo)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)熱傳遞，還能起到密封、減震和絕緣的作用。導(dǎo)熱墊片工藝技術(shù)簡(jiǎn)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(dǎo)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(dǎo)材料方向過渡。
導(dǎo)熱絕緣基板材料、灌封和塑封等包封保護(hù)材料以及界面導(dǎo)熱材料等導(dǎo)熱絕緣材料對(duì)電力電子器件的絕緣封裝和高效運(yùn)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(duì)相應(yīng)的封裝材料提出了更高要求。
目前，國(guó)內(nèi)在導(dǎo)熱絕緣領(lǐng)域的研究還落后于日本、歐美國(guó)家。例如，現(xiàn)階段的研究工作或者專注于導(dǎo)熱絕緣材料的失效檢測(cè)，對(duì)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(duì)導(dǎo)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(qiáng)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(jī)理建立關(guān)聯(lián)機(jī)制，開發(fā)具有更高耐溫性、導(dǎo)熱性和絕緣性的新型導(dǎo)熱絕緣材料，以實(shí)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。
免責(zé)聲明：本文轉(zhuǎn)載自“碳化硅芯觀察”，本文僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，不代表薩科微及行業(yè)觀點(diǎn)，只為轉(zhuǎn)載與分享，支持保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明原出處及作者，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系我們刪除。
粵公網(wǎng)安備44030002007346號(hào)
