摘要：本综述主要从当前硅（Si）基和下一代碳化硅（SiC）等宽禁带半导体电力电子器件封装应用的角度，论述在芯片封装过程中所用到的绝缘介质材料，并探讨其未来向高导热及耐高温方向发展的研究趋势。

关键词：导热绝缘材料电力电子器件封装

0引言

导热绝缘材料是指一类兼具导热和绝缘性能的材料，其作为绝缘材料的电阻率一般大于Ω?m，但作为高导热绝缘材料来定义时，则没有明确的界限，往往不同应用场合对导热性能好坏的定义差别较大，是一个相对的概念。例如，导热绝缘材料用作电力电子器件的电路板时，针对不同类型的基板，如陶瓷、聚合物等基板，其导热性能优良与否的定义不同。总体而言，陶瓷基板的导热性能会比目前最好的聚合物基板的导热性能更佳。

1电力电子器件简介

电力电子器件又称为功率半导体器件，由半导体元器件及模块器件组成，是电能转换和开关控制的关键部件。电力电子器件技术是我国国民经济的重要基础技术，不仅是现代科学、工业和国防的重要支撑，而且在民用高技术和传统产业技术升级中也扮演了非常重要的角色。我国的一些重大工程和应用领域如三峡、特高压输电、高铁、西气东输、电动汽车、照明、家电等均离不开电力电子器件。随着科技的不断发展和电力变换需求的逐步提升，电力电子器件经历了从第一代SCR（可控整流器）、第二代BJT（双极结型晶体管）、GTO（可关断晶体管）、MOSFET（半导体场效应晶体管）、第三代IGBT（绝缘栅双极型晶体管）到第四代智能化集成电路和智能功率模块电力电子器件的发展过程。芯片材料方面也经历了基于半导体Si向SiC等宽禁带半导体材料的发展过程。电力电子器件向高温、高电压、高频率和大电流方向快速发展。器件封装的拓扑结构设计也逐渐朝着微型化及高功率密度方向演变。图1为三菱SiC电力电子器件双面封装拓扑结构，其中与电力电子器件相匹配的封装材料，无论是起支撑作用的电路板（金属绝缘基板）、起电气连接作用的互联材料（烧结银焊接）、起绝缘和环境保护作用的包封材料（环氧灌封料）还是起散热作用的界面热导材料，都对电力电子器件的电气性能、抗电磁干扰特性、热特性、器件的效率及可靠性等影响显著，是电力电子器件领域除芯片本身之外的另一核心部分。

图1三菱SiC电力电子器件双面封装拓扑结构

典型的IGBT电力电子模块的封装结构如图2所示，其中需要具备绝缘功能的材料主要包括：电气隔离和支撑芯片用的电路板材料、隔绝空气和保护芯片用的绝缘灌封材料、外壳材料以及填充热沉和散热底板间隙用的界面热导材料。

图2典型IGBT电力电子模块封装结构

本文基于当前Si基和下一代SiC等宽禁带半导体电力电子器件发展的趋势，分别介绍上述绝缘封装材料的现状及进展，并对未来新型绝缘封装材料朝高导热、耐高温和高可靠性方向发展进行展望。

2电路板用导热绝缘介质材料

印制电路板是几乎所有电子元件和控制装置电气隔离、支撑的核心部件。电路板基板按照材质的不同可以分为3类：聚合物绝缘基板、金属基板和陶瓷基板。不同的基板介质材料在耐热性、热传导性、耐电压性、热膨胀系数、机械强度、加工性以及成本方面差异显著，从而应用于不同功率等级的电力电子领域中。

2.1聚合物绝缘基板用介质材料

聚合物绝缘基板介质材料也可称为有机树脂基板，具有设计自由度高、加工方便灵活和低成本的特性。该类基板多用于液晶显示器用光源LED、LED照明产品、工业用机器人、低功率转换电力电子器件装置等。聚合物绝缘基板一般以环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯等为有机基材，以纸或玻璃纤维等为增强材料。

20世纪80年代之前，电路板主要是以纸基酚醛树脂板（FR-2）为基板的单面印制电路板。FR-2价格低廉、加工性好，在诸如家用收音机和电子玩具等低封装密度和低附加值的产品中仍有应用。后来发展的FR-4覆铜板是由一层或者多层浸渍过环氧树脂的玻璃纤维布为基材，溴化环氧树脂或改性环氧树脂为粘结剂的阻燃型覆铜板的统称，其电气性能和力学性能适用于多方面需求，是目前应用最广、用量最大的一类基板材料。FR-4覆铜板具有非常多的系列化产品，如普通FR-4、中玻璃化转变温度FR-4、高玻璃化转变温度FR-4、无铅焊FR-4、无卤FR-4、高模量FR-4、低热膨胀系数FR-4、低介电常数FR-4等。

IPC在年8月颁布的PCB基材标准（IPCC）中，增添了12个FR-4覆铜板新品种，业界大多以此12个品种作为标准。表1列出了12个FR-4覆铜板的各项关键性能指标。

表1IPC-C中FR-4各项的关键性能指标

针对电力电子器件封装的应用，聚合物电路板一般只能用于低功率的小家电等行业。为适应电力电子器件功率损耗较大的特点，常通过对环氧树脂进行改性以获得具有不同侧重功能的环氧基板，如含萘结构的低膨胀系数环氧树脂、主链由双酚A特殊结构以及柔性分子链构成的柔软强韧型环氧树脂、含磷元素的无卤阻燃环氧树脂、高分子量环氧树脂等，以满足电力电子器件封装高散热和降低应力的相关要求。

为满足印制电路板产品的可靠性、复杂性、电性能和装配性能等不同需求，研究人员也对其他种类聚合物绝缘基板材料做了很多研究。氰酸酯树脂具有介电常数和介质损耗因数低、玻璃化转变温度（Tg）高、热膨胀系数低等优点，可用于高频封装基板；双马来酰亚胺-三嗪树脂耐受压力、耐蒸煮性能较好，可用于芯片封装；热固性聚苯醚树脂具有较低的介电常数和介质损耗因数，同时也具有较高的Tg和较低的热膨胀系数，不仅综合介电性能优异，而且热力学性能良好，适用于高频封装领域。

与上述基板材料相对应，采用高耐热、热阻性好的聚酰亚胺树脂为基材的柔性基板制备的柔性电路板，可应用于需要三维高封装密度的中低功率电力电子模块装置。如图3所示，Semikron公司采用SKIN技术的SiC电力电子器件中就含有柔性电路板双面封装结构。

图3SKIN技术IGBT模块封装结构

2.2金属基板用介质材料

与聚合物绝缘基板相比，金属基板具有更高的热导率，多用于对散热性能要求较高的领域；与厚膜陶瓷基板相比，金属基板的力学性能更为优良，因此，金属基板具有独特优势。

典型的金属基板包括3层，如图4所示，第一层为导电层，即线路层，一般为铜箔；第二层为导热绝缘层，主要起绝缘、粘接和散热的作用；第三层为金属基层，即底层散热层，所用材料为铝、铜等金属板，以及像铜-石墨、铝-碳化硅这样的复合导电基板等。

图4金属基板结构示意图

中间的导热绝缘层是金属基板的关键材料，需要具备优异的耐热性、导热性，较高的电气强度，良好的柔韧性，并且能与金属基板和线路层粘接良好。导热绝缘层主要由提供粘接性能的有机树脂和高导热无机填料组成。有机高分子材料结构中通常含有较多的缺陷，分子振动和晶格振动不协调，导致声子散乱程度高，因此具有较低的热导率。目前有机树脂使用最多的是环氧树脂，也常用聚乙烯醇缩丁醛、丙烯酸酯、聚氨酯等改性的环氧树脂。还有一些其他种类的树脂如酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯以及聚苯醚等。导热绝缘层的导热性主要取决于其中的填料，可供选择的填料有Al2O3、MgO、ZnO、BeO、h-BN、Si3N4以及AlN等。其中，Al2O3虽然热导率不高，但是其球形度好，容易在有机树脂中分散，适宜高填充量，并且价格便宜，因此应用较多。

高导热金属基板材料的生产厂家主要以美国贝格斯、日本理化工业所、CMK、松下、利昌工业株式会社等为代表，相关产品牌号和特性如表2所示。例如，美国贝格斯公司作为热管理领域的领导厂商，引领了当前铝基板的发展潮流；日本发条公司生产的高散热基板热导率可达10W/(m?K)，主要应用在汽车电子器件、中低功率电力电子器件封装领域；松下公司开发的CV-系列产品热导率分别为3、5、10W/(m?K)的基板材料，主要包括高导热环氧树脂和无机填料，该系列产品具有一定的刚性，不易折断。

表2国外高导热金属基板材料主要技术参数

金属基板的绝缘性能主要依靠中间的导热绝缘层，但是导热绝缘层很薄，因此金属基板整体耐压性能不高，不能用于高电压领域，但在中电压的新能源汽车中已有应用，如图1中的三菱SiC双面封装的电力电子模块就采用了具有电路图案的厚金属铜箔（厚度约为μm）绝缘粘结剂及底部铜箔的IMS基板技术。

图1三菱SiC电力电子器件双面封装拓扑结构

2.3陶瓷基板用介质材料

陶瓷基板主要在宽禁带半导体器件中起连接芯片与外电路的作用，同时兼具支撑、散热、保护和绝缘的功能。目前所知的能够用于绝缘基板的、导热性能优越的材料当属金刚石，其热导率高达W/(m?K)，其他的具有强共价键键合结构的Al2O3、AlN等单晶共价键材料热导率也仅大于30W/(m?K)。陶瓷基板由陶瓷绝缘层和镀覆金属层组成，目前常用的陶瓷绝缘层材料主要有Al2O3、AlN和Si3N4，3种陶瓷绝缘层材料的性能参数对比如表3所示。

表3陶瓷绝缘层材料性能参数

Al2O3是常用的陶瓷绝缘层材料，具有与镀覆金属附着力高、机械强度高以及成本低的优点。不过Al2O3的热导率相对较低，不适用于高功率密度半导体器件；AlN材料的热导率比较高，相应的基板具有良好的散热性，更适用于高功率密度半导体电力电子器件的封装。另外，AlN的热膨胀系数也与Si和SiC比较接近，在器件受热时有利于保持稳定的封装结构；Si3N4的热膨胀系数也与SiC接近，是理想的基板材料，同时其断裂韧性和挠曲强度高，有利于增加覆铜层的厚度，从而提高基板的电流承载能力，不过Si3N4的成本较高，并且热导率比较低。除了以上3种陶瓷绝缘层材料，还有BeO，其热导率比上述3种陶瓷绝缘层材料高，但是因为有剧毒，不能实际应用于电力电子器件封装。陶瓷基板按结构与制作工艺可以分为厚膜陶瓷基板（ThickFilmCeramic，TFC）、直接键合铜陶瓷基板（DirectBondedCopper，DBC）、直接电镀覆铜陶瓷基板（DirectPlatedCopper，DPC）以及活性金属钎焊陶瓷基板（ActiveMetalBond，AMB）等。其中，TFC是指用丝网印刷技术将金属浆料涂覆在陶瓷基片表面，经过干燥、在～℃高温下烧结等流程制备基板。金属浆料一般由金属粉末（Ag-Pd或Ag-Pt）、有机树脂和玻璃粉组成，高温烧结后，树脂粘合剂被燃烧掉，剩下的几乎是纯金属。烧结后的金属层厚度为10～20μm，最小线宽为0.3mm。这种技术的特点是技术成熟、成本较低，多应用于对图形精度要求不高的电子封装领域。DBC是指由AlN或Al2O3陶瓷基片与铜箔在高温下（℃）共晶烧结而成，然后再刻蚀成所需要的线路图案。DBC的优点是导热性好、绝缘性好、可靠性高，缺点是DBC对设备和工艺控制要求较高，基板成本高，并且Al2O3与铜层间容易产生微气孔，不利于产品的热冲击性能，另外，DBC一般要求表面铜箔厚度大于μm，刻蚀基板图形的最小线宽大于μm。也有研究者将铜替换为铝，制备直接覆铝陶瓷基板（DAB），DAB具有更高的温度循环能力，有望成为DBC的补充。DPC采用电镀铜箔技术，优点是容易实现较小线宽间距的电路图案及三维通孔连接，但因镀铜箔厚度及载流能力有限，一般用于中低功率器件，如LED等应用场合。近年来AMB也受到越来越多的

转载请注明:http://www.aideyishus.com/lktp/129.html