IPM中覆銅陶瓷基板的熱傳導性

智能功率模塊(IntelligentPowerModule,IPM)作為一種功率驅動類電子產品,集成了功率開關管、驅動電路和檢測保護電路,其功耗少、體積小、抗干擾能力強。但是IPM的集成度太高,散熱問題亟待解決。經研究表明,在硅基IPM封裝結構里熱阻百分比為焊料層10%、芯片6%、底板20%、覆銅陶瓷(DBC)基板銅層8%和陶瓷層56%。所以減少DBC基板的熱阻成為優化其導熱性能以及增強功率模塊熱可靠性能的重要途徑。

IPM工作時主要的熱源來自功率模塊中的IGBT和FRD芯片,芯片產生的熱量通過DBC基板、散熱器與外界進行熱量交換。其中DBC陶瓷基板是功率模塊熱量向外傳遞的重要途徑。因此，金屬層采用銅,絕緣層采用典型的Al2O3和AlN材料。Al2O3陶瓷的加工技術相對成熟,成本不高且具有較好的絕緣性、機械性和穩定性;AlN陶瓷導熱性強、介電常數低、密度小、機械強度高。

陶瓷層厚度的影響

由于陶瓷層的主要作用是絕緣隔離,因此厚度選擇不能太薄,否則會引起模塊功能失效，當增大陶瓷層厚度時,DBC基板的最高溫度不斷升高,說明從散熱能力和成本因素出發,無論哪種陶瓷材料,陶瓷層都是越薄越好;但是為了保證絕緣要求及機械強度,陶瓷層的參考厚度一般為0.35~0.65mm。其中,Al2O3-DBC隨陶瓷層厚度的變化影響更大,因為高導熱系數AlN陶瓷材料的使用在很大程度上降低了DBC的整體熱阻,減小陶瓷層厚度,其最高溫度的下降幅度較為平緩。

來源電子元件與材料, 2022, 41(6): 648-654. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2022.1614