高功率模組散熱材料簡介

刊登日期:2016/1/5
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高功率模組的功率密度和熱流密度持續的發展,功率模組的熱管理已成為電力電子工業一個非常關鍵的問題。這導致了高散熱性能材料的需求,為了提升現今功率模組的散熱性能,持續發展一些先進的熱管理材料和熱管理方法是必須的。本文將簡述功率模組的絕緣基板和散熱底板及其材料、製程和相關的散熱元件。
 
高功率模組的基本主要結構
通常一個功率模組 IGBT 標準基本結構從上到下如圖四所示,包含上蓋、外緣框、半導體晶片元件、基板和底板。其中,功率元件之後的每兩層中間都會包含一層介面層,它可能是擴散接合介面層、焊料接合介面層或是導熱膏介面材料層。大部分功率元件產生的熱經過層層的傳導路徑將熱量由散熱底板消散到模組外部,所以從基板到底板材料都需具備有相當不錯的熱傳導能力,同時熱阻抗也需要越低越好,當然散熱器和外界的熱交換也必須同時被考慮。

 
 
 
圖四、IGBT模組結構和主散熱單元
 
功率模組相關主要散熱材料及其製程
圖四所顯示的是傳統上IGBT功率模組和熱傳導結構單元各個部分組成的解析,從圖中顯示,功率半導體元件IGBT和二極體晶片上產生的廢熱,藉由導熱機構和散熱材料將熱傳遞出去。功率模組的散熱結構材料,廣義而言包含上蓋、外框、功率元件的封裝材料、電路金屬線和基板、散熱底板及熱介面材料,但以狹義而言,主要包含絕緣基板和散熱底板,以下將介紹此兩部分所代表的材料和製程。
2. 散熱底板材料
散熱底板材料主要包含銅、鋁、金屬基複合材料,而金屬基複材包含鋁碳化矽、鋁石墨複材、Kovar、Cu-Mo-Cu、Cu/W 和 Cu/Mo等材料,性質如表二所示。①銅和鋁主要是以壓延生產為主,銅的優點是熱傳導係數高達 400 W/mK,但缺點則是熱膨脹係數太高,達到 17 ppm/˚C、比剛性 26 GPa-cm3/g、密度太大達 8.9 g/cm3;鋁的優點是熱傳導係數高達 200 W/mK、比剛性達 26 GPa-cm3/g、密度低僅 2.7 g/cm3,但缺點也是熱膨脹係數太高達 24 ppm/˚C。
 
功率模組散熱材料面對的問題及解決方法
根據調查,目前為止有70~80%的功率模組使用散熱底板,而使用絕緣陶瓷基板的比例更是涵蓋絕大部分的功率模組。功率模組是各種不同材料的集合體,其中包含金屬材料(鋁、銅、鐵、矽晶、AgSn等)、陶瓷材料(Al2O3、AlN、S3N4、SiC、GaN等)、高分子材料(Gel Filling、Plastic、Thermal Grease等)和機械結構的組合(Busbar等),其中功率元件、陶瓷絕緣基板和散熱底板之間的焊層界面是一個主要故障源,如圖十。因為結構、材料彼此間的熱膨脹係數不匹配產生熱應力與熱應變。重複持續的熱循環可能出現焊層裂縫,因此增加了晶片、基板和散熱底板間的熱阻抗發生。
 
工研院材料所目前開發狀況
目前材料所針對高導熱金屬基複材應用在高功率模組底板上,主要有兩個系列的產品開發,一是陶瓷強化相鋁基複材,主要是 AlSiC 金屬基複材做為功率模組絕緣陶瓷基板材料或是散熱底板應用,如圖十四利用碳化矽顆粒強化鋁金屬製作出的碳化矽強化鋁基複材的顯微結構照片,其熱傳導係數在 180 W/mK之間、熱膨脹係數約 8~12 μm/m˚C之間、密度在 2.8~3.0 g/cm3、撓曲強度達到 378 MPa 左右,如表三所示,屬於高導熱、高強度、低熱膨脹係數與輕量的高功能性材料,也適合應用在其他功率電子元件、LED散熱基板上……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 

圖十五、材化所開發之鋁碳化矽之IGBT
散熱底板
 
作者:張志忠/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」349期,更多資料請見下方附檔。


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