铝基板功率模块散热基板的发展

　　功率模块主要用于高电压、大电流的场合，所产生的热量主要通过散热基板传导到外壳而散发出去。功率模块工作中的热量主要来自PN结产生的热量，其结温通常在125℃～175℃之间，一旦超过PN结允许的耗散功率，就会因热量散发不出去而导致PN结温度上升，直至过热而烧毁，造成芯片热击穿。因此散热基板的高散热性能至关重要。

　　功率模块上应用最广的为陶瓷基板，主要是Al2O3陶瓷表面焊接区域覆镍或银，具有较好的润湿性，但是焊点强度较差。为了提高陶瓷材料导热能力，出现了高导热的AlN、SiC陶瓷基板，但是价格昂贵，应用较少。近十年来，覆铜陶瓷基板(DBC)的出现，使传统的陶瓷基板的有了较大的改善，其具有焊接性好、散热好的特点，在功率模块上有较广泛的应用，但相比传统陶瓷基板价格仍然较高。而近几年，覆铜铝基板在LED灯行业的应用，使小功率模块变得轻型化、小型化看到了曙光。在这里不得不介绍一下金属基板的发展。金属基板主要有金属芯基板、包覆型金属基板、金属基板三种。现在金属芯基板基本已经看不见了。而较为少见的是包覆型金属，在其表面包裹一层釉料，起到绝缘层的目的，在此基础上经丝网漏印、烧结制成一层金属焊接层。如今应用最广泛的是金属基板，它是以金属板(铜、铝、铁等)为底材，在其覆上有树脂作为绝缘层，然后再覆上导电层。其中最为常见的覆铜铝基板，如图2所示。
 

　　早在上世纪五十年代，日本专家就已经有金属基覆铜箔这种设想，而直到1969年该制造技术由日本三洋电机公司首次开发成功。在我国铝基板起步较晚，发展较慢。但是覆铜铝基板还是以其最优的性价比，优异的电气性能、散热性、电磁屏蔽性、高耐压，在新兴的LED灯、微电子等行业得到广泛应用。

　　早期的覆铜铝基板热导率较差，究其原因主要是所使用的FR-4半固化片热导率非常低，仅为(0.15～0.25)W/mk。这种传统的绝缘层是由覆有环氧玻璃布半固化片制成的多层结构。常见的有机材料的性能如表1所示。这种传统结构不仅存在散热问题，而且高温下焊接时由于热膨胀系数不一致存在绝缘层与金属基板分离问题。而最近几年，改进的绝缘层新型覆铜铝基板具有较大的优势，解决了分层问题，同时热导率低的问题也大大改善。由BN、Al2O3、Si3N4等陶瓷颗粒组成的混合填充料而改性的环氧树脂热导率可达3W/mK左右。除此之外，绝缘层的绝缘耐压能力也得到了显著提高。这些无机材料具有很好导热和介电性能，常见的无机填料的性能如下表2所示。

　　目前国内外普遍采用在绝缘层中添加高导热的陶瓷颗粒，并对填料的比例进行调整以满足热导率指标，同时，对树脂进行改性使其具有较好的电学和机械加工性能。因此，这种新型覆铜铝基板在功率模块封装具有较大的应用前景。

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