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鋁基板功率模塊散熱基板的發展

作者:admin 時間:2015-10-08 16:49

  功率模塊主要用于高電壓、大電流的場合,所產生的熱量主要通過散熱基板傳導到外殼而散發出去。功率模塊工作中的熱量主要來自PN結產生的熱量,其結溫通常在125℃175℃之間,一旦超過PN結允許的耗散功率,就會因熱量散發不出去而導致PN結溫度上升,直至過熱而燒毀,造成芯片熱擊穿。因此散熱基板的高散熱性能至關重要。

  功率模塊上應用最廣的為陶瓷基板,主要是Al2O3陶瓷表面焊接區域覆鎳或銀,具有較好的潤濕性,但是焊點強度較差。為了提高陶瓷材料導熱能力,出現了高導熱的AlNSiC陶瓷基板,但是價格昂貴,應用較少。近十年來,覆銅陶瓷基板(DBC)的出現,使傳統的陶瓷基板的有了較大的改善,其具有焊接性好、散熱好的特點,在功率模塊上有較廣泛的應用,但相比傳統陶瓷基板價格仍然較高。而近幾年,覆銅鋁基板在LED燈行業的應用,使小功率模塊變得輕型化、小型化看到了曙光。在這里不得不介紹一下金屬基板的發展。金屬基板主要有金屬芯基板、包覆型金屬基板、金屬基板三種。現在金屬芯基板基本已經看不見了。而較為少見的是包覆型金屬,在其表面包裹一層釉料,起到絕緣層的目的,在此基礎上經絲網漏印、燒結制成一層金屬焊接層。如今應用最廣泛的是金屬基板,它是以金屬板(銅、鋁、鐵等)為底材,在其覆上有樹脂作為絕緣層,然后再覆上導電層。其中最為常見的覆銅鋁基板,如圖2所示。
 

  早在上世紀五十年代,日本專家就已經有金屬基覆銅箔這種設想,而直到1969年該制造技術由日本三洋電機公司首次開發成功。在我國鋁基板起步較晚,發展較慢。但是覆銅鋁基板還是以其最優的性價比,優異的電氣性能、散熱性、電磁屏蔽性、高耐壓,在新興的LED燈、微電子等行業得到廣泛應用。

  早期的覆銅鋁基板熱導率較差,究其原因主要是所使用的FR-4半固化片熱導率非常低,僅為(0.150.25)W/mk。這種傳統的絕緣層是由覆有環氧玻璃布半固化片制成的多層結構。常見的有機材料的性能如表1所示。這種傳統結構不僅存在散熱問題,而且高溫下焊接時由于熱膨脹系數不一致存在絕緣層與金屬基板分離問題。而最近幾年,改進的絕緣層新型覆銅鋁基板具有較大的優勢,解決了分層問題,同時熱導率低的問題也大大改善。由BNAl2O3Si3N4等陶瓷顆粒組成的混合填充料而改性的環氧樹脂熱導率可達3W/mK左右。除此之外,絕緣層的絕緣耐壓能力也得到了顯著提高。這些無機材料具有很好導熱和介電性能,常見的無機填料的性能如下表2所示。

  目前國內外普遍采用在絕緣層中添加高導熱的陶瓷顆粒,并對填料的比例進行調整以滿足熱導率指標,同時,對樹脂進行改性使其具有較好的電學和機械加工性能。因此,這種新型覆銅鋁基板在功率模塊封裝具有較大的應用前景。




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