電力電子器件封裝中導(dǎo)熱絕緣材料的應(yīng)用

摘要：本綜述主要從當(dāng)前硅（Si）基和下一代碳化硅（SiC）等寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件封裝應(yīng)用的角度，論述在芯片封裝過(guò)程中所用到的絕緣介質(zhì)材料，并探討其未來(lái)向高導(dǎo)熱及耐高溫方向發(fā)展的研究趨勢(shì)。

00引言導(dǎo)熱絕緣材料是指一類(lèi)兼具導(dǎo)熱和絕緣性能的材料，其作為絕緣材料的電阻率一般大于1010 Ω?m，但作為高導(dǎo)熱絕緣材料來(lái)定義時(shí)，則沒(méi)有明確的界限，往往不同應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)導(dǎo)熱性能好壞的定義差別較大，是一個(gè)相對(duì)的概念。例如，導(dǎo)熱絕緣材料用作電力電子器件的電路板時(shí)，針對(duì)不同類(lèi)型的基板，如陶瓷、聚合物等基板，其導(dǎo)熱性能優(yōu)良與否的定義不同?？傮w而言，陶瓷基板的導(dǎo)熱性能會(huì)比目前最好的聚合物基板的導(dǎo)熱性能更佳。

01電力電子器件簡(jiǎn)介

電力電子器件又稱(chēng)為功率半導(dǎo)體器件，由半導(dǎo)體元器件及模塊器件組成，是電能轉(zhuǎn)換和開(kāi)關(guān)控制的關(guān)鍵部件。電力電子器件技術(shù)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)技術(shù)，不僅是現(xiàn)代科學(xué)、工業(yè)和國(guó)防的重要支撐，而且在民用高技術(shù)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)中也扮演了非常重要的角色。我國(guó)的一些重大工程和應(yīng)用領(lǐng)域如三峽、特高壓輸電、高鐵、西氣東輸、電動(dòng)汽車(chē)、照明、家電等均離不開(kāi)電力電子器件。隨著科技的不斷發(fā)展和電力變換需求的逐步提升，電力電子器件經(jīng)歷了從第一代SCR（可控整流器）、第二代BJT（雙極結(jié)型晶體管）、GTO（可關(guān)斷晶體管）、MOSFET（半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）、第三代IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）到第四代智能化集成電路和智能功率模塊電力電子器件的發(fā)展過(guò)程。芯片材料方面也經(jīng)歷了基于半導(dǎo)體Si向SiC等寬禁帶半導(dǎo)體材料的發(fā)展過(guò)程。電力電子器件向高溫、高電壓、高頻率和大電流方向快速發(fā)展。器件封裝的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也逐漸朝著微型化及高功率密度方向演變。圖1為三菱SiC電力電子器件雙面封裝拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中與電力電子器件相匹配的封裝材料，無(wú)論是起支撐作用的電路板（金屬絕緣基板）、起電氣連接作用的互聯(lián)材料（燒結(jié)銀焊接）、起絕緣和環(huán)境保護(hù)作用的包封材料（環(huán)氧灌封料）還是起散熱作用的界面熱導(dǎo)材料，都對(duì)電力電子器件的電氣性能、抗電磁干擾特性、熱特性、器件的效率及可靠性等影響顯著，是電力電子器件領(lǐng)域除芯片本身之外的另一核心部分。圖1三菱SiC電力電子器件雙面封裝拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)典型的IGBT電力電子模塊的封裝結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中需要具備絕緣功能的材料主要包括：電氣隔離和支撐芯片用的電路板材料、隔絕空氣和保護(hù)芯片用的絕緣灌封材料、外殼材料以及填充熱沉和散熱底板間隙用的界面熱導(dǎo)材料。圖2典型IGBT電力電子模塊封裝結(jié)構(gòu)本文基于當(dāng)前Si基和下一代SiC等寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件發(fā)展的趨勢(shì)，分別介紹上述絕緣封裝材料的現(xiàn)狀及進(jìn)展，并對(duì)未來(lái)新型絕緣封裝材料朝高導(dǎo)熱、耐高溫和高可靠性方向發(fā)展進(jìn)行展望。

電力電子器件封裝中導(dǎo)熱絕緣材料的應(yīng)用

02電路板用導(dǎo)熱絕緣介質(zhì)材料

印制電路板是幾乎所有電子元件和控制裝置電氣隔離、支撐的核心部件。電路板基板按照材質(zhì)的不同可以分為3類(lèi)：聚合物絕緣基板、金屬基板和陶瓷基板。不同的基板介質(zhì)材料在耐熱性、熱傳導(dǎo)性、耐電壓性、熱膨脹系數(shù)、機(jī)械強(qiáng)度、加工性以及成本方面差異顯著，從而應(yīng)用于不同功率等級(jí)的電力電子領(lǐng)域中。

2.1聚合物絕緣基板用介質(zhì)材料

聚合物絕緣基板介質(zhì)材料也可稱(chēng)為有機(jī)樹(shù)脂基板，具有設(shè)計(jì)自由度高、加工方便靈活和低成本的特性。該類(lèi)基板多用于液晶顯示器用光源LED、LED照明產(chǎn)品、工業(yè)用機(jī)器人、低功率轉(zhuǎn)換電力電子器件裝置等。聚合物絕緣基板一般以環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、聚四氟乙烯等為有機(jī)基材，以紙或玻璃纖維等為增強(qiáng)材料。20世紀(jì)80年代之前，電路板主要是以紙基酚醛樹(shù)脂板（FR-2）為基板的單面印制電路板。FR-2價(jià)格低廉、加工性好，在諸如家用收音機(jī)和電子玩具等低封裝密度和低附加值的產(chǎn)品中仍有應(yīng)用。后來(lái)發(fā)展的FR-4覆銅板是由一層或者多層浸漬過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂的玻璃纖維布為基材，溴化環(huán)氧樹(shù)脂或改性環(huán)氧樹(shù)脂為粘結(jié)劑的阻燃型覆銅板的統(tǒng)稱(chēng)，其電氣性能和力學(xué)性能適用于多方面需求，是目前應(yīng)用最廣、用量最大的一類(lèi)基板材料。FR-4覆銅板具有非常多的系列化產(chǎn)品，如普通FR-4、中玻璃化轉(zhuǎn)變溫度FR-4、高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度FR-4、無(wú)鉛焊FR-4、無(wú)鹵FR-4、高模量FR-4、低熱膨脹系數(shù)FR-4、低介電常數(shù)FR-4等。IPC在2009年8月頒布的PCB基材標(biāo)準(zhǔn)（IPC-4101C）中，增添了12個(gè)FR-4覆銅板新品種，業(yè)界大多以此12個(gè)品種作為標(biāo)準(zhǔn)。表1列出了12個(gè)FR-4覆銅板的各項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)。表1IPC-4101C中FR-4各項(xiàng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)
針對(duì)電力電子器件封裝的應(yīng)用，聚合物電路板一般只能用于低功率的小家電等行業(yè)。為適應(yīng)電力電子器件功率損耗較大的特點(diǎn)，常通過(guò)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行改性以獲得具有不同側(cè)重功能的環(huán)氧基板，如含萘結(jié)構(gòu)的低膨脹系數(shù)環(huán)氧樹(shù)脂、主鏈由雙酚A特殊結(jié)構(gòu)以及柔性分子鏈構(gòu)成的柔軟強(qiáng)韌型環(huán)氧樹(shù)脂、含磷元素的無(wú)鹵阻燃環(huán)氧樹(shù)脂、高分子量環(huán)氧樹(shù)脂等，以滿(mǎn)足電力電子器件封裝高散熱和降低應(yīng)力的相關(guān)要求。為滿(mǎn)足印制電路板產(chǎn)品的可靠性、復(fù)雜性、電性能和裝配性能等不同需求，研究人員也對(duì)其他種類(lèi)聚合物絕緣基板材料做了很多研究。氰酸酯樹(shù)脂具有介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)低、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）高、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，可用于高頻封裝基板；雙馬來(lái)酰亞胺-三嗪樹(shù)脂耐受壓力、耐蒸煮性能較好，可用于芯片封裝；熱固性聚苯醚樹(shù)脂具有較低的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)，同時(shí)也具有較高的Tg和較低的熱膨脹系數(shù)，不僅綜合介電性能優(yōu)異，而且熱力學(xué)性能良好，適用于高頻封裝領(lǐng)域。與上述基板材料相對(duì)應(yīng)，采用高耐熱、熱阻性好的聚酰亞胺樹(shù)脂為基材的柔性基板制備的柔性電路板，可應(yīng)用于需要三維高封裝密度的中低功率電力電子模塊裝置。如圖3所示，Semikron公司采用SKIN技術(shù)的SiC電力電子器件中就含有柔性電路板雙面封裝結(jié)構(gòu)。圖3SKIN技術(shù)IGBT模塊封裝結(jié)構(gòu)

2.2金屬基板用介質(zhì)材料

與聚合物絕緣基板相比，金屬基板具有更高的熱導(dǎo)率，多用于對(duì)散熱性能要求較高的領(lǐng)域；與厚膜陶瓷基板相比，金屬基板的力學(xué)性能更為優(yōu)良，因此，金屬基板具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。典型的金屬基板包括3層，如圖4所示，第一層為導(dǎo)電層，即線(xiàn)路層，一般為銅箔；第二層為導(dǎo)熱絕緣層，主要起絕緣、粘接和散熱的作用；第三層為金屬基層，即底層散熱層，所用材料為鋁、銅等金屬板，以及像銅-石墨、鋁-碳化硅這樣的復(fù)合導(dǎo)電基板等。圖4金屬基板結(jié)構(gòu)示意圖中間的導(dǎo)熱絕緣層是金屬基板的關(guān)鍵材料，需要具備優(yōu)異的耐熱性、導(dǎo)熱性，較高的電氣強(qiáng)度，良好的柔韌性，并且能與金屬基板和線(xiàn)路層粘接良好。導(dǎo)熱絕緣層主要由提供粘接性能的有機(jī)樹(shù)脂和高導(dǎo)熱無(wú)機(jī)填料組成。有機(jī)高分子材料結(jié)構(gòu)中通常含有較多的缺陷，分子振動(dòng)和晶格振動(dòng)不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致聲子散亂程度高，因此具有較低的熱導(dǎo)率。目前有機(jī)樹(shù)脂使用最多的是環(huán)氧樹(shù)脂，也常用聚乙烯醇縮丁醛、丙烯酸酯、聚氨酯等改性的環(huán)氧樹(shù)脂。還有一些其他種類(lèi)的樹(shù)脂如酚醛樹(shù)脂、聚酰亞胺樹(shù)脂、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯以及聚苯醚等。導(dǎo)熱絕緣層的導(dǎo)熱性主要取決于其中的填料，可供選擇的填料有Al2O3、MgO、ZnO、BeO、h-BN、Si3N4以及AlN等。其中，Al2O3雖然熱導(dǎo)率不高，但是其球形度好，容易在有機(jī)樹(shù)脂中分散，適宜高填充量，并且價(jià)格便宜，因此應(yīng)用較多。高導(dǎo)熱金屬基板材料的生產(chǎn)廠(chǎng)家主要以美國(guó)貝格斯、日本理化工業(yè)所、CMK、松下、利昌工業(yè)株式會(huì)社等為代表，相關(guān)產(chǎn)品牌號(hào)和特性如表2所示。例如，美國(guó)貝格斯公司作為熱管理領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)廠(chǎng)商，引領(lǐng)了當(dāng)前鋁基板的發(fā)展潮流；日本發(fā)條公司生產(chǎn)的高散熱基板熱導(dǎo)率可達(dá)10 W/(m?K)，主要應(yīng)用在汽車(chē)電子器件、中低功率電力電子器件封裝領(lǐng)域；松下公司開(kāi)發(fā)的CV-2079系列產(chǎn)品熱導(dǎo)率分別為3、5、10 W/(m?K)的基板材料，主要包括高導(dǎo)熱環(huán)氧樹(shù)脂和無(wú)機(jī)填料，該系列產(chǎn)品具有一定的剛性，不易折斷。表2國(guó)外高導(dǎo)熱金屬基板材料主要技術(shù)參數(shù)

2.3陶瓷基板用介質(zhì)材料

陶瓷基板主要在寬禁帶半導(dǎo)體器件中起連接芯片與外電路的作用，同時(shí)兼具支撐、散熱、保護(hù)和絕緣的功能。目前所知的能夠用于絕緣基板的、導(dǎo)熱性能優(yōu)越的材料當(dāng)屬金剛石，其熱導(dǎo)率高達(dá)3 000 W/(m?K)，其他的具有強(qiáng)共價(jià)鍵鍵合結(jié)構(gòu)的Al2O3、AlN等單晶共價(jià)鍵材料熱導(dǎo)率也僅大于30 W/(m?K)。陶瓷基板由陶瓷絕緣層和鍍覆金屬層組成，目前常用的陶瓷絕緣層材料主要有Al2O3、AlN和Si3N4，3種陶瓷絕緣層材料的性能參數(shù)對(duì)比如表3所示。表3陶瓷絕緣層材料性能參數(shù)Al2O3是常用的陶瓷絕緣層材料，具有與鍍覆金屬附著力高、機(jī)械強(qiáng)度高以及成本低的優(yōu)點(diǎn)。不過(guò)Al2O3的熱導(dǎo)率相對(duì)較低，不適用于高功率密度半導(dǎo)體器件；AlN材料的熱導(dǎo)率比較高，相應(yīng)的基板具有良好的散熱性，更適用于高功率密度半導(dǎo)體電力電子器件的封裝。另外，AlN的熱膨脹系數(shù)也與Si和SiC比較接近，在器件受熱時(shí)有利于保持穩(wěn)定的封裝結(jié)構(gòu)；Si3N4的熱膨脹系數(shù)也與SiC接近，是理想的基板材料，同時(shí)其斷裂韌性和撓曲強(qiáng)度高，有利于增加覆銅層的厚度，從而提高基板的電流承載能力，不過(guò)Si3N4的成本較高，并且熱導(dǎo)率比較低。除了以上3種陶瓷絕緣層材料，還有BeO，其熱導(dǎo)率比上述3種陶瓷絕緣層材料高，但是因?yàn)橛袆《荆荒軐?shí)際應(yīng)用于電力電子器件封裝。陶瓷基板按結(jié)構(gòu)與制作工藝可以分為厚膜陶瓷基板（Thick Film Ceramic，TFC）、直接鍵合銅陶瓷基板（Direct Bonded Copper，DBC）、直接電鍍覆銅陶瓷基板（Direct Plated Copper，DPC）以及活性金屬釬焊陶瓷基板（Active Metal Bond，AMB）等。其中，TFC是指用絲網(wǎng)印刷技術(shù)將金屬漿料涂覆在陶瓷基片表面，經(jīng)過(guò)干燥、在700～800℃高溫下燒結(jié)等流程制備基板。金屬漿料一般由金屬粉末（Ag-Pd或Ag-Pt）、有機(jī)樹(shù)脂和玻璃粉組成，高溫?zé)Y(jié)后，樹(shù)脂粘合劑被燃燒掉，剩下的幾乎是純金屬。燒結(jié)后的金屬層厚度為10～20 μm，最小線(xiàn)寬為0.3 mm。這種技術(shù)的特點(diǎn)是技術(shù)成熟、成本較低，多應(yīng)用于對(duì)圖形精度要求不高的電子封裝領(lǐng)域。DBC是指由AlN或Al2O3陶瓷基片與銅箔在高溫下（1065℃）共晶燒結(jié)而成，然后再刻蝕成所需要的線(xiàn)路圖案。DBC的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)熱性好、絕緣性好、可靠性高，缺點(diǎn)是DBC對(duì)設(shè)備和工藝控制要求較高，基板成本高，并且Al2O3與銅層間容易產(chǎn)生微氣孔，不利于產(chǎn)品的熱沖擊性能，另外，DBC一般要求表面銅箔厚度大于100μm，刻蝕基板圖形的最小線(xiàn)寬大于100μm。也有研究者將銅替換為鋁，制備直接覆鋁陶瓷基板（DAB），DAB具有更高的溫度循環(huán)能力，有望成為DBC的補(bǔ)充。DPC采用電鍍銅箔技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)較小線(xiàn)寬間距的電路圖案及三維通孔連接，但因鍍銅箔厚度及載流能力有限，一般用于中低功率器件，如LED等應(yīng)用場(chǎng)合。近年來(lái)AMB也受到越來(lái)越多的關(guān)注，釬料中的少量活性元素如鈦（Ti）、鋯（Zr）等與陶瓷反應(yīng)時(shí)，該反應(yīng)層可被熔化的釬料潤(rùn)濕，從而實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬的連接。該技術(shù)因采用了釬焊緩沖層連接技術(shù)，具有粘接強(qiáng)度高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)合Si3N4陶瓷介質(zhì)基板，在新一代SiC電力電子應(yīng)用中前景可期。

03電力電子器件包封保護(hù)用導(dǎo)熱絕緣材料電氣保護(hù)一般采用真空或者有機(jī)絕緣包封兩種辦法將導(dǎo)電部分與環(huán)境隔離。其中有機(jī)絕緣包封又分為軟包封（灌封）和硬包封（塑封）兩種包封方式。前者因材質(zhì)柔軟，具有一定的防震功能；后者因其較強(qiáng)的力學(xué)性能，可對(duì)電氣連接起一定的機(jī)械固定功能，但因其與金屬導(dǎo)體等材料存在熱膨脹系數(shù)差異，容易導(dǎo)致材料熱疲勞開(kāi)裂，所以除了要求高絕緣性能外還要求高熱導(dǎo)率和低熱膨脹系數(shù)。

3.1有機(jī)硅灌封材料

灌封是指在可操作時(shí)間內(nèi)將灌封材料——通常為有機(jī)填充介質(zhì)，灌入到電力電子器件的功能模塊內(nèi)，經(jīng)過(guò)一定條件固化形成彈性膠態(tài)。灌封膠不僅對(duì)模塊器件和電子線(xiàn)路起到防潮、防塵、緩沖防震作用，還能夠抵抗環(huán)境對(duì)元器件和芯片的腐蝕和沖擊，降低模塊器件的失效概率。灌封防護(hù)具有良好的絕緣、防震和隔離作用，可將外界的不良影響因素降到最低，因而在裝備的防護(hù)，尤其是高壓大功率元器件和組件的防護(hù)中起到越來(lái)越重要的作用。常用的有機(jī)灌封材料主要有環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯和有機(jī)硅凝膠3大類(lèi)。環(huán)氧樹(shù)脂灌封膠的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為力學(xué)性能好、收縮率小、電絕緣性能優(yōu)良以及與元器件粘接性能好；缺點(diǎn)為硬度大、易變黃、防潮性能差和耐老化性能差，而且透光性差導(dǎo)致檢測(cè)線(xiàn)路故障時(shí)不易觀察。同時(shí)由于環(huán)氧樹(shù)脂固化時(shí)有一定內(nèi)應(yīng)力，耐溫沖擊性不好，固化后可維修性差。環(huán)氧樹(shù)脂灌封膠通常適用于LED、控制模塊、變壓器等精密性要求不高的器件。聚氨酯灌封膠硬度比環(huán)氧樹(shù)脂灌封膠小，彈性好并且透明度高，對(duì)各種材料有良好的粘接力，具有更優(yōu)異的防水、耐酸腐蝕性能；但也有易變色、易老化、耐熱性差、易起泡等缺點(diǎn)，此外聚氨酯灌封膠在工藝操作中除氣泡困難，未除盡的氣泡可能造成線(xiàn)路脫落、開(kāi)關(guān)失靈等情況。聚氨酯灌封膠通常在電感器、變阻器、電路板等不發(fā)熱或發(fā)熱量小的器件中應(yīng)用較多。近年來(lái)有機(jī)硅灌封膠已經(jīng)發(fā)展為IGBT模塊器件最常用的灌封材料，有機(jī)硅材料擁有Si-O-Si主鏈結(jié)構(gòu)，Si-O骨架使有機(jī)硅材料具有優(yōu)異的耐高低溫、耐輻射、耐老化、耐臭氧、絕緣性能，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生及電子設(shè)備等領(lǐng)域。有機(jī)硅灌封膠是一種柔韌性較好的軟彈性體，具有優(yōu)異的防震緩沖功能。硬度比聚氨酯灌封膠小，更適用于精密的電子器件灌封。表4中總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上主要商業(yè)化有機(jī)硅灌封膠的產(chǎn)品及其性能參數(shù)。表4商業(yè)有機(jī)硅灌封膠性能參數(shù)

3.2環(huán)氧塑封材料

封裝材料的主要作用是保護(hù)電路內(nèi)部芯片，隔絕外界環(huán)境對(duì)芯片的影響，因此應(yīng)具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和熱導(dǎo)率，較低的熱膨脹系數(shù)和吸水率，較好的電氣絕緣性能等。從組成上，封裝材料可分為金屬封裝材料、陶瓷封裝材料和塑料封裝材料，其中，塑料封裝材料（簡(jiǎn)稱(chēng)塑封材料）約占95%以上。塑封材料又以環(huán)氧樹(shù)脂為主，目前，環(huán)氧塑封材料作為電子元器件和集成電路封裝材料廣泛應(yīng)用于電力電子、航空航天以及汽車(chē)行業(yè)。環(huán)氧塑封材料是一種高分子復(fù)合材料，通常選用環(huán)氧樹(shù)脂作為基體，將固化劑、固化促進(jìn)劑、偶聯(lián)劑、脫模劑、填充劑、阻燃劑以及其他助劑按照一定的比例，通過(guò)適當(dāng)?shù)墓に嚮鞜捴苽涑森h(huán)氧模塑料（Epoxy Molding Compound，EMC）。表5總結(jié)了環(huán)氧模塑料中各組分的含量和功能。表5環(huán)氧模塑料的組成和功能環(huán)氧樹(shù)脂作為塑封材料具有很多優(yōu)異的性能，例如：粘接性好，與多種物質(zhì)都具有很強(qiáng)的粘附性；固化收縮性好，交聯(lián)固化時(shí)不產(chǎn)生小分子副產(chǎn)物；交聯(lián)后形成致密的三維立體結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能優(yōu)良，交聯(lián)固化后的環(huán)氧樹(shù)脂不含活潑基團(tuán)和游離的離子，并且吸水能力弱，具有良好的介電性能和電絕緣性；交聯(lián)后的環(huán)氧樹(shù)脂化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等。國(guó)外環(huán)氧塑封材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展較早，產(chǎn)品占據(jù)大多數(shù)中高端位置，如日本電工株式會(huì)社、日本化成株式會(huì)社、日本東芝、漢高旗下的Hysol等。我國(guó)環(huán)氧樹(shù)脂產(chǎn)業(yè)起步相對(duì)較晚，近幾年來(lái)涌現(xiàn)了一批新興的環(huán)氧樹(shù)脂企業(yè)，如長(zhǎng)沙化工新材料有限公司、江陰天星保溫材料有限公司等。環(huán)氧塑封材料因其剛性特性以及熱膨脹系數(shù)與芯片等連接材料差別顯著，加之其耐溫性能有限，故常用于中低壓MOSFET電力電子模塊應(yīng)用中，近年來(lái)在SiC MOSFET及雙面IGBT模塊的前沿應(yīng)用亦已有報(bào)道。

04熱界面材料

高溫會(huì)對(duì)電力電子器件的可靠性、穩(wěn)定性及使用壽命產(chǎn)生不利影響，因此，將電力電子器件產(chǎn)生的熱量及時(shí)、有效地排除出去是系統(tǒng)封裝的一個(gè)重要方面。熱界面材料（Thermal Interface Material，TIM），涂敷于散熱電子元件（熱沉）與發(fā)熱電子元件（芯片）之間，是降低二者接觸熱阻所使用材料的總稱(chēng)，電子元件封裝示意圖以及熱界面材料在其中的作用機(jī)制如圖5所示。(a)電子封裝示意圖

(b)熱界面材料作用機(jī)制

圖5電子元件封裝示意圖和熱界面材料作用機(jī)制

從圖5可以看出，在芯片和熱沉之間存在極小的不平整空隙，若將兩個(gè)元件直接安裝在一起，它們實(shí)際接觸面積只有散熱元件面積的10%左右，其他均為空氣間隙?？諝馐菬岬牟涣紝?dǎo)體，熱導(dǎo)率只有0.024 W/(m?K)，嚴(yán)重影響熱量傳遞。而高導(dǎo)熱的熱界面材料可以填滿(mǎn)空氣間隙，改善產(chǎn)熱元件與散熱元件之間的接觸，建立有效的熱傳遞通道，降低界面接觸熱阻，最大程度發(fā)揮散熱元件的作用。

熱界面材料種類(lèi)繁多，大致可分為導(dǎo)熱膏、導(dǎo)熱膠黏劑、導(dǎo)熱相變材料以及導(dǎo)熱墊片等。導(dǎo)熱膏是由具有一定黏度的液體和高導(dǎo)熱固體填料通過(guò)混合脫泡制成的膏狀材料。傳統(tǒng)導(dǎo)熱膏即導(dǎo)熱硅脂，主要組分為硅油和無(wú)機(jī)填料，其中硅油選自二甲基硅油、乙烯基硅油、苯基甲基硅油等，無(wú)機(jī)填料選自金屬（Ag、Cu、Al等）、氧化物（Al2O3、ZnO等）、氮化物（BN、AlN等）以及碳材料（碳納米管、石墨烯等）。新型導(dǎo)熱膏使用具有良好流動(dòng)性和黏度且導(dǎo)熱性?xún)?yōu)異的液體介質(zhì)，如液態(tài)金屬替代硅油，與高導(dǎo)熱填料混合，制備導(dǎo)熱性更好的熱界面材料。

導(dǎo)熱膠黏劑是將液態(tài)聚合物材料灌封到功能模塊或電子元件中，固化后形成導(dǎo)熱性?xún)?yōu)異的熱固性聚合物材料。填充高導(dǎo)熱填料可獲得導(dǎo)熱性能更好的復(fù)合型導(dǎo)熱膠黏劑，按照填料導(dǎo)電與否可將導(dǎo)熱膠黏劑分為導(dǎo)熱電絕緣膠黏劑（如AlN/環(huán)氧膠）和導(dǎo)熱導(dǎo)電膠黏劑（如Ag/環(huán)氧膠）。根據(jù)聚合物基體的不同又可將導(dǎo)熱膠黏劑分為有機(jī)硅、聚氨酯、環(huán)氧等膠黏劑。導(dǎo)熱膠黏劑工藝簡(jiǎn)便且價(jià)格低廉，廣泛應(yīng)用于電力電子器件領(lǐng)域。

導(dǎo)熱相變材料是指隨著溫度升高由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)、降低界面熱阻并實(shí)現(xiàn)熱量傳遞的一種新型熱界面材料，起到防止元件繼續(xù)升溫并充分潤(rùn)濕界面固體的功能。該類(lèi)材料由于低成本、特有的物理性質(zhì)以及便于設(shè)計(jì)的靈活性和可靠性引起了廣泛關(guān)注。根據(jù)相變材料的化學(xué)成分，可將其分為無(wú)機(jī)類(lèi)相變材料、有機(jī)類(lèi)相變材料和混合類(lèi)相變材料。其中，石蠟是最常見(jiàn)的一種相變材料，向石蠟中填充高導(dǎo)熱填料可制備導(dǎo)熱性能良好的相變材料。研究人員將導(dǎo)熱相變材料用于各種類(lèi)型電力電子器件的溫度管理，如各種散熱器設(shè)計(jì)。

導(dǎo)熱墊片，或稱(chēng)之為導(dǎo)熱彈性體，通常是以高分子聚合物材料為基體，添加高導(dǎo)熱填料和助劑經(jīng)過(guò)加熱固化形成的一種導(dǎo)熱界面片狀材料，這種材料一般是軟質(zhì)的，并且彈性較好。導(dǎo)熱墊片不但能填充在產(chǎn)熱元件和散熱元件之間的縫隙從而實(shí)現(xiàn)熱傳遞，還能起到密封、減震和絕緣的作用。導(dǎo)熱墊片工藝技術(shù)簡(jiǎn)單、適用范圍廣，是一種優(yōu)異的柔性熱界面材料。隨著電力電子器件不斷向高功率、耐高溫方向發(fā)展，其中界面熱導(dǎo)材料也逐漸朝著高溫穩(wěn)定的金屬或石墨烯等超高界面熱導(dǎo)材料方向過(guò)渡。

05結(jié)論與展望

導(dǎo)熱絕緣基板材料、灌封和塑封等包封保護(hù)材料以及界面導(dǎo)熱材料等導(dǎo)熱絕緣材料對(duì)電力電子器件的絕緣封裝和高效運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。電力電子器件向更高溫度、更高電壓、更高頻率以及更大電流的方向發(fā)展促使封裝結(jié)構(gòu)逐漸趨于微型化和高功率密度化，這對(duì)相應(yīng)的封裝材料提出了更高要求。目前，國(guó)內(nèi)在導(dǎo)熱絕緣領(lǐng)域的研究還落后于日本、歐美國(guó)家。例如，現(xiàn)階段的研究工作或者專(zhuān)注于導(dǎo)熱絕緣材料的失效檢測(cè)，對(duì)于材料本身改性和新材料的開(kāi)發(fā)研究較少；或者停留在材料本征性能的考察上，針對(duì)導(dǎo)熱絕緣材料與器件之前的關(guān)聯(lián)性關(guān)注不夠。為獲得性能更優(yōu)異的電力電子封裝材料，仍需加強(qiáng)在該領(lǐng)域的研發(fā)投入，基于材料本身分子結(jié)構(gòu)與材料性能關(guān)系并與電力電子器件可靠性機(jī)理建立關(guān)聯(lián)機(jī)制，開(kāi)發(fā)具有更高耐溫性、導(dǎo)熱性和絕緣性的新型導(dǎo)熱絕緣材料，以實(shí)現(xiàn)電力電子器件向更高工作電壓、更高工作溫度和更快開(kāi)關(guān)速度的方向發(fā)展。來(lái)源：絕緣材料 作者：佟輝，臧麗坤，徐菊 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~