电力电子模块用关键绝缘材料--导热绝缘陶瓷覆铜DBC板

在电力半导体模块的发展中，随着集成度的提高，体积减小，使得单位散热面积上的功耗增加，散热成为模块制造中的一个关键问题，而传统的模块结构（焊接式和压接式）已无法成功地解决散热问题。因此对处于散热底板和芯片之间的导热绝缘材料提出了新要求。目前，国内外电力电子行业所用此种材料一般是陶瓷-金属复合板结构，简称DBC板（Dircet Bonding Copper）。
      所谓DBC技术，是指将铜在高温下直接键合到陶瓷材料上的技术。DBC板主要是采用Al2O3、AIN、BeO等导热绝缘陶瓷基片。由于BeO含有毒性，工业上少有利用。AIN虽然导热性能良好，且热膨胀系数与硅相近，但价格太高，因此目前Al2O3已被广泛用作DBC板的导热绝缘基片，而AIN也处于发展之中。
   目前国外DBC基板已投入工业化生产，并广泛用于电力半导体模块、微波传送和密封等领域。在相同功率的电力半导体中，DBC板的焊接式模块，与普通焊接式模块相比，不仅体积小，重量轻，省部件，并且具有更好的热疲劳稳定性和更高的集成度。国内这方面的研究刚刚起步，尚未形成工业化生产。西安交通大学电气绝缘研究所结合GTR模块封装结构的"八五"攻关任务，采用DBC技术研制出Al2O3-Cu复合板，并提供给西安电力电子技术研究所，北京电力电子新技术研究开发中心等单位试用。目前已形成实验室小批量生产。市场前景可观。
    DBC基板在功率模块中所起的作用如下：
  1）作为硅芯片的承载体，并且二者之间无其它任何材料和连接线。电路布线基板，功能近似于PCB板。
  2）绝缘性能好，把导电部件和散热部件隔离开。
  3）散热性能好，把硅芯片产生的热量通过导热机油传输到散热装置。
    因此说DBC基板是导热性能和绝缘性能都很优良的基板。Al2O3-Cu基板具有如下的优良特性：
  1）热阻抗小，且热膨胀系数同Al2O3，与硅相近（7.4×10-5K-1）,使用中不要过渡层，硅芯片可直接焊接在DBC基板上；
  2）具有良好的机械性能，附着力>5000N/cm2，抗剥力>90N/cm；
  3）耐腐蚀、不形变，可在-55℃～+860℃温度范围内使用；
  4）极好的电绝缘性能，瓷板耐压>2.5KV；
  5）良好的导热性，热导率为24～28W/m·K；
  6）焊接性良好，达到95%以上。
     DBC板将是未来电子线路中结构和连接技术的基础材料。在传统有机覆铜P.C.板不能满足元件热冲击性能的时候，DBC板将用于具有高耗散功率电子组件的基本材料。在使用中，由于较厚的铜层（0.3mm）能承受更高的电流负载，在相同截面下，仅需通常P.C.板12%的导体宽度；良好的热电率，使功率芯片的密集安装成为可能。在单位体积内能传输更大的功率，提高系统和设备的可靠性。在电力电子如下相关领域可得广泛应用：
（1）功率半导体器件，如IGBT、GTR、SIT等；
（2）功率控制线路；
（3）混合功率线路及新式功率结构单元；
（4）固态继电器及高频开关模块电源；
（5）电子加热器件的温度控制单元；
（6）变频器、电机调速、交流无触点开关；
（7）电子陶瓷器件，经我所研究表明，采用DBC技术制作BaTiO3的烧铜电极，与普通的烧银电极以及镀铜电极相比，接触电阻小，性能优越；
（8）汽车电子、航空航天军事技术等方面的结构单元。 DBC技术是未来"芯-板"技术的基础，代表着今后封装技术的发展趋势，随着DBC板的应用，就向未来的"芯-板"技术迈进了一步，同时也形成了创造性产品思想和具有高集成度设备设计的基础。
     目前，随着GTR、IGBT、SIT等新型器件的发展，对导热更好的DBC板又提出了要求，日本已研制出了AIN覆铜板，并用于IGBT的封装中。我国已研制出AIN陶瓷基片，我所已开展了AIN覆铜板的研制工作，并正在进行键合机理及工艺过程的研究，预计在"九五"期间，将会在国内电力半导体行业中得到应用。