高散熱之智慧型功率模組封裝技術

 

刊登日期:2017/11/5
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功率模組發展現況
近年來,環保與節能的議題越來越受到重視,世界各國政府也積極推動能源政策,促使綠能產業蓬勃發展。其中功率模組在綠能產業中扮演著重要的角色,像是風力發電系統、電動車的馬達驅動、家用電冰箱與冷氣壓縮機的驅動都需要用到功率模組,提供交流電與直流電之間的能源轉換,因此對於功率模組的市場需求將會越來越大。圖一為Yole Development預估之全球功率模組封裝市場需求,從2010年的4億美元成長至2020年的17億美元,成長幅度高達四倍之多。表一為2015年全球絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor; IGBT)功率模組的市占率,德國、日本之功率模組封裝技術仍然占據著領先地位,有近70%的功率模組是出自於英飛凌(Infineon)、三菱電機(Mitsubishi Electric)、富士電機(Fuji Electric)及賽米控(Semikron)等四家國際大廠。

智慧型功率模組(Intelligent Power Module; IPM)是將多顆功率晶片、驅動IC以及被動元件集合於一體之高效能、高可靠度封裝技術。其常用於冷氣、冰箱、洗衣機等驅動,模組透過內部的控制IC,實現高速的電源切換,有效的控制馬達運轉,避免馬達長時間處於高速運轉的狀態,進而達到節能之目的。在高頻、高電流的工作環境下,模組散熱功能為評估功率模組好壞的重要指標。

三菱電機在近年來所發表的新一代智慧型功率模組備受矚目。圖五為三菱電機SLIMDIP封裝結構,以高導熱、高絕緣性的介面材料取代覆銅基板(Direct Bond Copper; DBC)。高導熱介面材料(Thermal Interface Material; TIM)除了具備良好的熱傳導特性之外(熱傳導係數8~12 W/m·K),也有著絕佳的絕緣特性,耐電壓可達到2.5 kV以上。在此結構當中,以銅片為基座,貼合一層薄薄的導熱介面材料(厚度約為100~150 μm之間),再將導線架貼合至導熱介面材料上,最後透過模封製程包覆住功率晶片與控制IC。相比於DBC的複雜製程,TIM結構的功率模組製程簡單了許多,TIM貼合製程所需溫度只要100˚C左右,加上其厚度只有0.1 mm左右,不但可降低製程成本,也可以降低模組之熱阻,使模組達到更高效能的運作。

圖五、三菱電機SLIMDIP封裝結構
圖五、三菱電機SLIMDIP封裝結構

本文所設計之高散熱智慧型功率模組架構類似於三菱電機的架構,導入國內廠商的功率晶片,透過此一架構帶動國內功率模組發展,期望能以更低價格、更高效能之模組提供給國內馬達系統應用商。

高散熱之智慧型功率模組架構如圖六所示,包含功率晶片、二極體、驅動晶片、導線架、高導熱介面材料及銅底板。整體結構屬一三明治架構,導線架與銅底板中間夾著一層高導熱絕緣材料,透過此材料良好的熱傳導特性將功率晶片產生之熱能往下傳導至銅底板,模組之熱阻可有效降低。模組組裝主要分為二個部分:第一部分為散熱銅底板的製作,將高導熱介面材料預先貼合至銅底板上,透過熱壓製程,使之部分固化與銅底板鍵結;第二部分為固晶導線架之組裝,組裝流程如圖七(a)所示。首先,在導線架上塗佈助焊劑並放上預錫片(Preform),接著利用自動打件設備將功率晶片放置於錫片上,透過真空回焊技術,完成導線架固晶製程。驅動晶片則是透過銀膠組裝至導線架上。晶片間的互連是採用金線與鋁線,其中金線用於驅動晶片,鋁線用於功率晶片。最後,透過轉移模封的高溫模壓,將兩部分做緊密結合,完成高散熱之智慧型功率模組。

圖七、(a)導線架固晶與打線製程步驟;(b)完成固晶與打線之導線架
圖七、(a)導線架固晶與打線製程步驟;(b)完成固晶與打線之導線架

模封製程為此模組之關鍵製程之一,利用模封時高壓與模具內部頂真的設計,使得導線架與散熱銅底板能緊密接合,若導線架與高導熱介面材料之間產生脫層的現象,模組便無法承受高壓的交流訊號衝擊,導致整體的可靠度壽命降低。模封製程流程如圖九所示。首先,將已預貼高導熱介面材料的銅底板放置於下模穴,再將已完成固晶之導線架放置於高導熱介面材料之上,由於模穴的溫度高達170˚C,此步驟時間得控制於10~20秒之間,超過此一時間高導熱介面材料會因…...以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:余泰君、高國書、張景堯、林欣翰、邱柏凱 、呂芳俊、張道智/工研院電光系統所
★本文節錄自「工業材料雜誌」371期,更多資料請見下方附檔。


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