IPM中覆铜陶瓷基板的热传导性

智能功率模块(IntelligentPowerModule,IPM)作为一种功率驱动类电子产品,集成了功率开关管、驱动电路和检测保护电路,其功耗少、体积小、抗干扰能力强。但是IPM的集成度太高,散热问题亟待解决。经研究表明,在硅基IPM封装结构里热阻百分比为焊料层10%、芯片6%、底板20%、覆铜陶瓷(DBC)基板铜层8%和陶瓷层56%。所以减少DBC基板的热阻成为优化其导热性能以及增强功率模块热可靠性能的重要途径。

IPM工作时主要的热源来自功率模块中的IGBT和FRD芯片,芯片产生的热量通过DBC基板、散热器与外界进行热量交换。其中DBC陶瓷基板是功率模块热量向外传递的重要途径。因此，金属层采用铜,绝缘层采用典型的Al2O3和AlN材料。Al2O3陶瓷的加工技术相对成熟,成本不高且具有较好的绝缘性、机械性和稳定性;AlN陶瓷导热性强、介电常数低、密度小、机械强度高。

陶瓷层厚度的影响

由于陶瓷层的主要作用是绝缘隔离,因此厚度选择不能太薄,否则会引起模块功能失效，当增大陶瓷层厚度时,DBC基板的最高温度不断升高,说明从散热能力和成本因素出发,无论哪种陶瓷材料,陶瓷层都是越薄越好;但是为了保证绝缘要求及机械强度,陶瓷层的参考厚度一般为0.35~0.65mm。其中,Al2O3-DBC随陶瓷层厚度的变化影响更大,因为高导热系数AlN陶瓷材料的使用在很大程度上降低了DBC的整体热阻,减小陶瓷层厚度,其最高温度的下降幅度较为平缓。

来源电子元件与材料, 2022, 41(6): 648-654. DOI: 10.14106/j.cnki.1001-2028.2022.1614