|
近年来制造功率电子器件都以细微加工和MOS工艺为基础，从而推动了功率电子器件向集成化、模块化方向发展；高压大功率需求的不断增加以及工艺技术的飞速革新，推动着功率器件向着小体积、高性能、速度快的方向发展，在封装时通过多芯片连接从而实现模块化是大势所趋。
但由此而引发的电路发热量也迅速提高，这将导致功率模块器件单位体积内所生成的热量急剧累积，使得芯片寿命下降。实践表明，由于热量得不到及时散失而引起的器件失效率为55%，砷化镓或硅半导体芯片寿命受温度影响较大，温度每上升10℃，因此所造成的失效就是原来的3~5倍。电子器件中电路的工作温度处于不断上升的趋势，大部分的损耗均来自于热辐射，如果热量不能有效的散失，情况严重的甚至会烧毁功率模块。主要是由于在功率电子器件中，温度过高，会导致热膨胀系数不匹配的材料间产生热应力及热疲劳。因此，在功率电子器件中散热是不可忽略的关键问题。 一方面，新一代宽禁带（Wide Band Gap，WBG）半导体材料，例如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），由于具有比Si更好的电、机械和热性能而逐渐成为研究热点。用WBG半导体代替Si基半导体可以承受更高的击穿电压，实现更快的开关速度、更低的开关损耗和更高的工作温度。 另一方面，封装技术的不足却放慢了高压宽禁带功率模块投入市场的脚步，与封装相关的失效在功率模块所有的失效形式中占据很大的比例，需要解决的瓶颈问题之一就是高压功率模块封装材料在多物理场耦合应力作用下的失效及可靠性问题。一般而言，电子封装包括层间介质、框架布线、密封材料和封装基板等几个部分；而封装体系中的金属镀层、芯片等模块通常具有较好的散热能力，因此影响电子器件散热的关键在于封装所用的绝缘基板材料。也就是说，解决器件散热问题的关键之一在于选择合适的封装基板。
功率电子器件封装用基板 功率模块使用的封装绝缘材料主要包括基板和灌封绝缘材料。 电子封装基板是用于承载电子互连线且具有良好的电绝缘性能的一种底座电子元器件材料，不仅在电子电路和半导体芯片中起到支撑和保护的作用，而且在热量的散失方面也起到相当重要的作用。功率电子器件在使用过程中往往会面临着复杂的工作环境，因此理想的电子封装基板需具有如下特点： （1）较高的热导率，良好的导热性能有利于更好的散热； （2）热膨胀系数较低，与硅和砷化镓等封装内的其他材料的热膨胀系数相匹配； （3）气密性好，耐高湿、高温、辐射和腐蚀等苛刻环境对电子器件的影响； （4）刚度和强度高，可以起到支撑和保护电路及芯片的效果； （5）焊接性能优良以及易于加工成型，能更好的适应各种形状和尺寸的器件； （6）尽可能低的材料密度，以降低器件的重量。 常见的电子封装基板包括：有机封装基板、金属及金属基复合材料、陶瓷基封装基板。 1、有机封装基板 作为传统的封装基板材料，有机封装基板介电常数低、材质轻、易于加工成细微形电路、适合大批量生产、制造封装成本低。但是随着越来越多的高功率、大规模的电子器件的应用，器件的封装要求也越来越高；因有机封装基板较差的电性能、较低的耐高温性能、较差的导热性能以及和芯片的热膨胀系数匹配性不高等缺点已经不能满足功率电子器件的封装要求，特别不适用于军事工程、智能电网、飞机、高铁等领域所要求的，较高的气密性和耐高压高温的产品封装。 2、金属及金属基复合材料封装基板 金属基电路板一般包括绝缘层、电路层、金属基板层，常作为系统电路基板。绝缘金属基板以其较高的热导率、较高的机械强度、优良的导电性、延展性、加工性能好等优点，早已被成功的开发并用于电子封装中。铝基复合材料是金属基封装基板中常用的基板，其具有较高的比刚度和比强度、较低的密度、易于调节的热膨胀系数等优点，在功率LED、功率电子设备、航空航天、混合集成电路等行业得到了较广泛的使用。金属基封装基板具有如下特点：（1）可通过改变金属基板的合金成分、比例、加工工艺、热处理工艺等实现对金属基板性能的调节，使其更好的应用在电子封装中；（2）金属基封装可实现较小的体积、多样化的封装形式、较快的散热能力，在封装中可以和某些电子器件融为一体。金属材料虽然具有诸多优点，但是其在耐磨损、耐腐蚀、耐高温、固晶界面应力大易产生裂缝等方面有待改善，且金属基板生产成本较高。 3、陶瓷基封装基板 陶瓷材料作为封装基板，同有机材料和金属材料作为封装基板相比，其综合性能有着明显的优势，主要体现在以下几个方面：（1）耐湿耐高温、机械强度高，不易产生微裂纹；（2）绝缘性能优异，陶瓷大多是共价健型化合物，具有良好的绝缘性，作为封装基板，封装系统的可靠性与基板电阻成正比；（3）较高的热导率，温度循环性好和耐热冲击，典型立方晶系的陶瓷材料如BeO，AlN和SiC均具有不低于金属材料的较高的热导率；（4）较低的介电系数，优良的高频特性以及较低的介电损耗，使得信号延迟时间得到有效降低，传输效率得到提高；（5）较小的热膨胀系数，有利于尺寸的稳定性。 一般来说，共价键型化合物的熔点都比较高以及相对较低的热膨胀系数，和器件中的芯片能更好的相匹配，细微化布线容易。陶瓷封装基板凭借着自身的诸多优良性能已经逐渐取代传统封装基板，被广泛应用于多芯片模块和大规模集成电路中，如高铁、智能电网、航空航天、大功率LED等耐高温、高频、高气密性、高可靠性的产品封装领域。现阶段常用的陶瓷基封装基板主要有Al2O3、BeO、SiC、AlN、Si3N4、金刚石等。  Al2O3陶瓷制作技术成熟且便宜，热膨胀系数（coefficient of thermal expansion，CTE）相对较大，介电常数高，但是相比其他陶瓷材料，热导率很低，因此在高功率密度系统中不利于散热；AlN陶瓷相对来说是一种比较安全和有前景的材料，其导热性仅次于BeO，远远高于Al2O3，并且它的CTE与SiC接近，匹配性更强，抗弯强度和热循环寿命与Al2O3相似；Si3N4是应用历史较短的新材料，它的CTE与SiC匹配的最好，机械断裂韧性最高，其高抗弯强度使其在热循环过程中可以与厚铜板搭配，承载大电流而不容易断裂。 灌封绝缘材料 灌封绝缘材料的作用是保护芯片和金属互连部分免受恶劣环境如湿气、化学物质等的影响，并且在导体之间提供额外的绝缘保护，同时也可以作为散热介质。
 随着高压功率模块的发展，亟需研究适用于高电压功率模块的封装绝缘材料和封装技术。基于此，11月15-17日，第六届国际碳材料大会暨产业展览会——碳化硅半导体论坛，DT新材料特邀天津工业大学梅云辉教授分享报告《高电压（>15kV）功率器件封装基板设计与绝缘材料研究》，将从封装结构与封装材料两个方面提出了一种新型封装方案来实现高阻断电压（>15 kV）功率芯片的封装与应用，以及针对所设计的高压模块的物理性能、电性能及可靠性分享最新研究工作。诚邀各位行业专家、企业代表共同参与，分享最新技术、产业前沿，共同推进我国半导体行业国产化进程！
嘉宾介绍 - 梅云辉 - 天津工业大学 教授 演讲题目：高电压（>15kV）功率器件封装基板设计与绝缘材料研究 嘉宾介绍：国家优秀青年科学基金获得者，天津市杰出青年基金获得者，主要从事电力电子器件封装设计、材料与可靠性研究。主持多向国家级、省部级科研项目，发表论文140余篇，在IEEE T Power Electronics等国际TOP期刊上发表SCI论文90余篇, 曾获教育部霍英东青年科技奖、IEEE CPMT Young Award、天津市中青年科技创新领军人才和多次国际会议论文奖，论文SCI引用1400余次，H因子24；公开中国/美国发明专利53项（已授权26项），并获中国电源学会技术发明奖一等奖（第一完成人）、中国电工技术学会技术发明奖一等奖（第一完成人）和电工技术—正泰科技奖。 报告摘要：随着第三代半导体材料（碳化硅、氮化镓等）的推广使用，具有高频、高阻断电压、高功率密度等诸多优势的宽禁带电力电子器件得以开发，但受封装方案的限制，尚无法得到实际应用。在高压工况下的局部放电被认为是电力电子器件失效的主要形式。本文从封装结构与封装材料两个方面提出了一种新型封装方案来实现高阻断电压（>15 kV）功率芯片的封装与应用，并针对所设计的高压模块的物理性能、电性能及可靠性展开了研究工作。  |
|
|
来自： DT_Carbontech > 《待分类》
