■ 技術說明
近年來，隨著物聯網的興起、能源再生利用、綠能工業以及電動車等產業的持續發展，功率模組的發展已趨向高功率、高速化以及高密度。此外，封裝技術在薄型化的需求下也不斷精進，從早期一維、二維演變至現今的三維堆疊方式。隨著未來綠能電子的發展，功率模組將會有三大重要市場，分別為家用智慧電網、電動車以及工業控制應用。其中以絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor; IGBT) 模組具有最廣泛的應用，包括電動車、無人機、馬達(Motor)、風力、不斷電系統(UPS) 及鐵路等。
由於功率模組的功率密度越來越高，新一代寬能隙(SiC/GaN) 功率模組將會是未來發展的趨勢。功率模組若以電壓分類的話，600V 以下為低功率(Low-voltage) 應用；600V ~ 1,700V 為中功率(Medium-voltage) 應用；1,700V 以上則是高功率(High-voltage) 應用。在整體成本以及效能的評估下，600V 以下預期將會是GaN 的市場；900V 以上則會是SiC 的市場，600V ~ 900V 則會是兩者競爭的區間。而此區間也是現在應用發展最蓬勃的區塊，包含電動車所使用的馬達、逆變器(Inverter) 以及其他車載元件；太陽能中的逆變器以及大型不斷電系統，皆為此電壓區間的應用。
針對不同功率IGBT 模組的封裝材料有不同的應對設計。如中功率(Med-power) 的IGBT 模組目前主要是仰賴於機構設計上的革新，即可持續精進，包括散熱效率以及逐步的薄型化。然而，高功率(High-power) IGBT 模組的發展則必須仰賴更新更好的材料開發，才有可能達到整體預期的發展目標。一般功率模組中的封裝材料所搭配的操作溫度大多要求到150˚C，然而為了因應大功率晶片所產生的散熱問題，材料耐熱性必須提升至220˚C，甚至更高。然而，高功率模組長期於高溫運作後，不純的環氧樹脂將會產生氯(Cl)，進而導致金屬迴路腐蝕。也就是長時間的高溫工作環境常會造成封裝材料產生部分裂解，釋放出化學物質以及熱介面材料(Thermal Interface Material; TIM) 的乾涸、硬化和擠出(Pump Out) 等現象，當有此現象發生時，將會大幅影響整體模組的散熱效率，降低使用壽命。因此，隨著功率模組的需求日益增加，高導熱係數、低介面熱阻以及高可靠度的封裝材料為各大系統廠迫切的需求。
工研院材化所以自行合成與設計不同的導熱結構，並搭配流動性佳的結構製成各種需求的導熱樹脂，像是可耐高溫（耐熱性≧ 420˚C）並整卷式塗佈的導熱PAI(Polyamide-imide) 樹脂或是絕緣性、溶解性均佳的導熱環氧樹脂等。目前所開發的樹脂其導熱係數(K) 可達0.35 W/m*K，是原先PAI 樹脂或是環氧樹脂的2 倍以上。上述導熱樹脂再搭配上自有的粉體改質技術與混合分散手法，可針對馬達封裝、功率模組封裝等不同載具應用進行各種型態的導熱產品開發，像是黏度低、流動性佳的馬達灌注膠(K=2.0~5.0 W/m*K)、無溶劑系統的可撓式非矽熱介面材料(K=3.0~7.0 W/m*K) 等。目前市面上主流的矽膠類熱介面材料，在高溫環境下會有小分子Siloxane 揮發，容易導致模組的使用壽命變短或是造成短路，而工研院材化所開發的非矽熱介面材料將有效避免此問題，同時因樹脂本身即具有高導熱性，所以粉體不需填充過多也能維持其導熱性，加工性可提升外也能將熱介面材料朝向薄型化發展。
■ 技術特徵
隨著能源議題受到重視，電動車發展不斷朝著輕量化邁進，功率元件必須的薄型化、高功率以及高密度已經是必然的發展趨勢。在車載模組的使用上，可以發現IGBT 模組已占了約80%，因此在功率模組封裝材料開發上，也須及早針對IGBT 的散熱以及可靠度需求，提出相應的材料設計方案。未來IGBT 會往多工智慧型功率模組(Intelligent Power Module; IPM) 方向開發。預期在此模組上將可同時實現驅動、控制及運算等多工運作。此外，SiC 晶片取代Si 晶片已成為未來功率模組發展的主軸。晶片的可耐操作溫度從150˚C 提高至200˚C，因此模組中的導熱材料，包括其中封裝材料中的封裝樹脂以及熱介面材料，將會是解決整體散熱的兩大關鍵議題。
目前現有封裝材料所使用的環氧樹脂導熱係數皆不夠高，其導熱係數為0.2 W/m‧K左右，同時仍有耐熱性不足的問題。Silicone 樹脂系統雖然流動性佳容易進行封裝加工，但是因本身結構的關係，無法製備成更高導熱係數的樹脂系統。一般傳統封裝材料，為了達到較高的導熱係數，必須添加大量無機粉體，才能符合模組散熱需求，但這樣的方式很容易造成模組封裝後的可靠度變差。再者，現有熱介面材料之樹脂組合物多以矽氧烷樹脂為主，再添加高導熱填充物如氧化鋁或氮化硼等陶瓷粉末以增進熱傳導率，再製成薄片、襯墊、帶狀或薄膜。為了使熱介面材料具有更佳的熱傳導值，導熱填充物的添加量通常會大於總組成之85 wt%。導熱填充物越多，熱傳導值則越高。然而，隨著導熱填充物添加量提高，樹脂組合物的特性常難以顯現，因此熱介面材料有電子絕緣性不佳，且柔軟性、機械強度、或耐熱性等特性不足的問題。最重要的是，目前的熱介面材料不能進行整捲式的塗佈，只能以熱壓方式進行加工，而大幅限制其用途。
為因應未來功率模組對於薄型化、高可靠度、功能整合及高功率密度之封裝需求，工研院材化所透過樹脂、粉體、分散等三大核心專門技術的整合，利用環氧樹脂的多官能化系統，如三官能基以上的樹脂結構，來提升架橋密度，進而提升耐熱特性；改變樹脂網狀結構如不使用環氧樹脂系統，改用更高耐熱的樹脂系統如PI(Polyimide)、PAI(Polyamide-imide) 或是BZ(Benzoxazine)等。以自行合成與設計不同導熱係數與流動性的樹脂結構與配方，輔以搭配自有的粉體改質技術與混合分散手法，可提供多功能且兼具導熱、絕緣、接著與低介電的導熱材料，可針對不同應用載具需求，提供膏、膠、片以及膜等型態的產品，廣泛應用於基板、灌注、塗料等領域，包括高導熱環氧樹脂、高耐熱導熱PAI 樹脂、雙鍵反應型樹脂等三種可反應型導熱樹脂，此新導熱封裝材料除具高耐熱性、耐腐蝕性以及高導熱性等三大特性外，其導熱係數比較傳統導熱樹脂可提升2 倍、高絕緣、溶解性佳、製程與塗佈操作加工性皆優於現有封裝材，PAI 樹脂兼具耐燃性且可整卷塗佈製程。
另外，為了因應未來功率模組薄型化以及高功率密度的發展，工研院材化所針對功率模組，開發以無溶劑系統、具低熱阻抗及極佳接著性，且可應用於卷對卷塗佈製程或與熱壓合塗佈製程之薄型化熱介面材料。其厚度100~250 μm、導熱係數大於5.0 W/m‧K (by ASTM-D5470) 且同時具備高絕緣特性的產品，破壞電壓可大於15 kV/mm。此熱介面材料可適用於功率模組散熱封裝、馬達散熱封裝、LED 散熱模組、智慧手機、網通設備等技術應用領域，目前仍持續開發50~100μm 厚度的高導熱絕緣TIM，藉此應對未來持續薄型化的產品趨勢。
■ 技術規格
一. 封裝材料
(一)非矽高耐溫導熱絕緣樹脂─ PAI樹脂
►技術特性
● 導熱係數提升 2 倍
● 可整卷塗佈製程
● 絕緣性、耐燃性優
►技術規格
● 導熱係數：= 0.35 W/m*K
● 耐熱性：≧ 420˚C
● 玻璃轉移溫度：≧ 300˚C
● 破壞電壓：≧ 36 kV/mm
● 耐燃可達：UL-V0
工研院材化所非矽高耐溫導熱絕緣樹脂─ PAI 樹脂與國際技術比較表
(二)非矽高耐溫導熱絕緣樹脂─環氧樹脂
►技術特性
● 導熱係數提升 2 倍
● 高絕緣、溶解性佳
● 製程與塗佈操作加工性優
►技術規格
● 導熱係數：= 0.35 W/m*K
● 耐熱性： ≧ 320˚C
● 破壞電壓： ≧ 20 kV/mm
● Dk ≦ 3.0
● Df ≦ 0.005 @10 GHz
工研院材化所非矽高耐溫導熱絕緣樹脂─環氧樹脂與國際技術比較表
二、熱介面材料
(一)非矽絕緣熱介面材料─封裝灌注用樹脂
►技術特性
● 流動性、灌注性佳、可製成硬化塊材
● 黏度可調
● 高絕緣性
● 易加工
►技術規格
▣ 低黏度型
● 導熱係數：2~5 W/m*K
● 黏度：≦ 5,000 cps
● 介電常數：≧ 20 kV/mm
● 體積電阻：≧ 1013 Ω‧cm
▣ 高黏度型
● 導熱係數：5~8 W/m*K
● 黏度：5,000 ~ 20,000 cps
● 破壞電壓：≧ 20 kV/mm
● 體積電阻：≧ 1013 Ω‧cm
(二)非矽絕緣熱介面材料TIM
►技術特性
● 無溶劑系統
● 低熱阻抗
● 卷對卷塗佈製程
● 極佳接著特性
● 塗佈與熱壓合製程
● 低黏度
►技術規格
● 導熱係數：≧ 7 W/m*K
● 耐熱性：≧ 300˚C
● 破壞電壓：≧ 20 kV/mm
● 體積電阻：≧ 1011Ω‧cm
● 厚度：≦ 300 μm
工研院材化所非矽絕緣熱介面材料TIM 與國際技術規格比較表
■ 應用範圍/領域
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● 散熱基板
● 漆包線絕緣塗料
● 散熱基板
● 馬達灌注封裝
● 功率模組封裝
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● LED散熱模組
● 功率模組散熱
● 薄型馬達散熱
● 智慧手機
● 網通設備
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■ 量測服務
隨著模組構裝朝輕、薄、短、小、高速化及高機能化發展，封裝材料在特性上亦面臨嚴苛的挑戰。尤其在車載使用的功率模組，對於可靠度的要求相當高，封裝材料必須經過反覆的熱循環測試、振動測試以及熱穩定性測試。有鑑於此，工研院材化所除了可自行合成與設計不同導熱係數與流動性的樹脂結構與配方外，針對各種散熱材料的驗證也建立一完整的量測平台，包括熱學、導熱、絕緣、其他如厚度、密度、黏度、Dk/Df、流變等各項參數，為客戶解決高導熱、高耐溫、高絕緣、輕量化、智慧化及高可靠度等各種的散熱需求，提供快速且精準的量測平台，以開發未來車載模組所需的封裝材料市場。
►各種散熱材料驗證項目：
● 熱學特性：TGA、DSC、TMA、DMA
● 導熱特性：熱阻儀 ( 導熱係數 )、Laser Flash( 熱擴散 )
● 絕緣特性：耐電壓量測儀 ( 破壞電壓 )、體積電阻
● 其他特性：厚度、密度、黏度、Dk/Df、流變
工研院材化所散熱材料量測平台
■ 專利/技術資訊
專利組合名稱：功率模組散熱封裝材/熱介面材料
專利標的：材料
專利組合案件數：3案14件
專利/技術成熟度：試量產
技術發展潛力：85%
國別分布：TW、US、DE、JP、CN
合作方式：專利讓與/ 授權、技術授權、 合作開發