胡 娟 ,鮑 婕 ,周云艷 ,汪 禮

(1.黃山學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,安徽 黃山 245041;2.智能微系統(tǒng)安徽省工程技術(shù)研究中心,安徽 黃山 245041;3.黃山學(xué)院先進(jìn)封裝技術(shù)研究中心,安徽 黃山 245041)

現(xiàn)代功率器件的封裝正逐步走向模塊化、集成化,具備高頻率、大功率、低損耗、高可靠性的特點(diǎn),在汽車電子、大功率混合電路、電動(dòng)汽車、宇航等領(lǐng)域應(yīng)用普遍,同時(shí)電子器件的功率密度也逐漸增加[1-2]。高功率密度導(dǎo)致熱量集中且不易及時(shí)散出,模塊工作溫度上升,造成功率器件燒毀或加速老化、可靠性降低等問題。功率器件封裝散熱設(shè)計(jì)對(duì)于提升模塊工作的穩(wěn)定性非常重要。

智能功率模塊(Intelligent Power Module,IPM)作為一種功率驅(qū)動(dòng)類電子產(chǎn)品,集成了功率開關(guān)管、驅(qū)動(dòng)電路和檢測保護(hù)電路,其功耗少、體積小、抗干擾能力強(qiáng)[3-4]。但是IPM 的集成度太高,散熱問題亟待解決。經(jīng)研究表明,在硅基IPM 封裝結(jié)構(gòu)里熱阻百分比為焊料層10%、芯片6%、底板20%、覆銅陶瓷(DBC)基板銅層8%和陶瓷層56%[5]。所以減少DBC基板的熱阻成為優(yōu)化其導(dǎo)熱性能以及增強(qiáng)功率模塊熱可靠性能的重要途徑。Sakanova 等[6]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué),將下銅層中含加工微通道的兩塊DBC 基板貼裝在芯片兩邊,散熱效率提高了59%。Yin 等[7]采用水冷散熱,在DBC 陶瓷層里添加單相層流微通道,隨著矩形通道數(shù)目的增加熱阻降低,熱阻大小受截面的長寬比影響,但是同時(shí)增高了壓降。Johanson 等[8]采用無引線設(shè)計(jì),將兩塊DBC 基板互相倒置焊接在一起形成三明治結(jié)構(gòu),減少了引線鍵合及其帶來的寄生電感、鍵合線脫落等問題的影響。以上這些研究都在一定程度上提高了IPM 的散熱性能,但同時(shí)增加了工藝復(fù)雜難度及成本,加工微通道帶來的應(yīng)力問題也會(huì)影響系統(tǒng)的熱力學(xué)性能。

本文基于英飛凌高度集成緊湊型的智能功率模塊IM818-MCC 建立DBC 基板的仿真模型,并制作不同材料和厚度的DBC 基板樣品,通過紅外測試與仿真分析,研究DBC 基板各層材料和厚度等因素對(duì)其熱傳導(dǎo)性能的影響規(guī)律。

1 覆銅陶瓷基板樣品的制作

智能功率模塊IM818-MCC (圖1(a))主要應(yīng)用在控制電機(jī)變速驅(qū)動(dòng)方面,比如低功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)、風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)、水泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)等,圖1(b)所示為IPM 在X 射線下得到的產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。下方深色區(qū)域?yàn)镈BC 基板,上面鋪設(shè)了由6 組絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)與快恢復(fù)二極管(FRD)單元組成的三相逆變電路;DBC上方的PCB(Printed Circuit Board)板上包含了驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、控制電路等;DBC 下銅層裸露在封裝外,連接散熱器。

圖1 (a) IPM 實(shí)物圖;(b)產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的X 射線照片F(xiàn)ig.1 (a) IPM Product photo;(b) X-ray photo of the product internal structure

IPM 工作時(shí)主要的熱源來自功率模塊中的IGBT和FRD 芯片,芯片產(chǎn)生的熱量通過DBC 基板、散熱器與外界進(jìn)行熱量交換。其中DBC 基板是功率模塊熱量向外傳遞的重要途徑,因此參照其圖形化設(shè)計(jì)和市售DBC 基板的常用厚度尺寸制作了四種DBC 基板樣品。樣品中金屬層采用銅,絕緣層采用典型的Al2O3和AlN 材料。Al2O3陶瓷的加工技術(shù)相對(duì)成熟,成本不高且具有較好的絕緣性、機(jī)械性和穩(wěn)定性[9];AlN 陶瓷導(dǎo)熱性強(qiáng)、介電常數(shù)低、密度小、機(jī)械強(qiáng)度高[10-11]。

樣品采用不同的工藝制備方法制作:其中樣品Bx1 和Bx3 為Al2O3直接覆銅工藝[12],其銅層厚度較大,為0.3 mm,先將銅片覆蓋在Al2O3陶瓷基片上,使其表面貼合,引入適量的氧加熱至1065 ℃進(jìn)行共晶鍵合,冷卻后界面粘合,進(jìn)行圖形刻蝕;樣品Bx2 和Bx4 為AlN 直接鍍銅工藝[13-14],其銅層厚度較小,為18 μm,先在AlN 陶瓷基片表面利用真空濺射方式沉積鈦/銅膜種子層,然后涂覆光刻膠,曝光顯影制作線路,在此基礎(chǔ)上電鍍銅層。表1 所示為四個(gè)樣品的材料、厚度參數(shù)。

表1 DBC 基板樣品材料和尺寸Tab.1 Material and geometry of DBC substrate samples

圖2 所示為DBC 基板樣品實(shí)物圖,上銅層分為4個(gè)區(qū)域用以鋪設(shè)功率芯片。其中,左邊較大區(qū)域上對(duì)應(yīng)三相逆變電路中上橋臂的3 組芯片單元,右邊3 個(gè)小區(qū)域上分別對(duì)應(yīng)下橋臂的1 組芯片單元。

圖2 DBC 基板樣品Fig.2 DBC substrate sample

2 覆銅陶瓷基板樣品的紅外測試

將上述陶瓷材料及厚度各異的DBC 基板樣品清潔預(yù)處理后,在上銅層表面粘貼黑色絕緣膠帶統(tǒng)一輻射率,下銅層表面涂抹相同厚度的導(dǎo)熱硅脂,再將其置于加熱臺(tái)上,從室溫開始逐漸增加溫度(25～125 ℃),采用紅外熱像儀實(shí)時(shí)觀察記錄樣品上表面的溫度變化情況,研究不同樣品熱傳導(dǎo)性能的差異。

圖3 所示為加熱臺(tái)溫度125 ℃時(shí)DBC 基板樣品的紅外測試結(jié)果,可以看出Bx2、Bx4 基板的最高溫度高于Bx1、Bx3 基板,說明使用導(dǎo)熱系數(shù)較高的AlN陶瓷材料時(shí)整體覆銅陶瓷基板的熱傳導(dǎo)效果更好。而相同材料的兩塊基板,如Bx1、Bx3 基板,隨著陶瓷層厚度的變小,其表面溫度增大,熱傳導(dǎo)能力增強(qiáng)。另一方面,通過紅外熱像儀攝制可以明顯看出,AlNDBC 樣品溫度升高速度遠(yuǎn)大于Al2O3-DBC 樣品。

圖3 DBC 基板樣品的紅外測試圖像Fig.3 Infrared test images of DBC substrate samples

3 覆銅陶瓷基板的仿真分析

3.1 仿真模型的建立

本文基于Comsol 軟件對(duì)DBC 基板進(jìn)行建模仿真。圖4(a)所示為DBC 基板樣品的結(jié)構(gòu)示意圖,上銅層四個(gè)區(qū)域與圖2 實(shí)物樣品一致。圖4(b)所示為DBC基板的仿真結(jié)構(gòu)圖,IPM 中的功率單元有12 個(gè)芯片熱源,因此在DBC 基板仿真模型上表面施加12 個(gè)點(diǎn)熱源,模擬6 組芯片單元的發(fā)熱。其中,IGBT 施加40 W 的功率,FRD 施加10 W 的功率。

圖4 (a)樣品結(jié)構(gòu)示意圖;(b)仿真結(jié)構(gòu)圖Fig.4 (a) Sample structure diagram;(b) Simulation structure diagram

為了反映封裝外部的熱對(duì)流,散熱器安裝在DBC基板的底部,空氣流速設(shè)置為5 m/s,環(huán)境溫度為25℃,大氣壓為0.1 MPa。圖5 所示為按照4 個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品的材料和尺寸建模,仿真得到的穩(wěn)態(tài)溫度分布圖?？梢钥闯鯝lN-DBC 樣品Bx2、Bx4 的最高溫度低于Al2O3-DBC 樣品Bx1、Bx3,即AlN-DBC 的散熱效果更好。而相同材料的兩塊DBC 基板,如Bx1、Bx3 基板,隨著陶瓷層厚度的變小,DBC 基板的最高溫度變低,其散熱能力增強(qiáng)。熱傳導(dǎo)性能的仿真結(jié)果與樣品紅外測試結(jié)果一致。

圖5 樣品穩(wěn)態(tài)仿真溫度分布圖Fig.5 Steady state simulation temperature distribution of samples

為了研究紅外測試過程中各樣品升溫速度不同這一現(xiàn)象,選擇初始20 s 時(shí)間內(nèi)的瞬態(tài)熱仿真進(jìn)行分析。實(shí)際工作情況中,功率開關(guān)管IGBT 需要頻繁地開通與關(guān)斷,開關(guān)管的損耗為開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗之和,其耗散功率的實(shí)時(shí)變化很難達(dá)到穩(wěn)態(tài)。設(shè)開關(guān)頻率為20 kHz,則初始200 ms 時(shí)間內(nèi)IGBT 開關(guān)次數(shù)已達(dá)4000 個(gè)周期。瞬態(tài)仿真溫度曲線如圖6 所示。升溫初始階段Al2O3-DBC 陶瓷層厚度的改變對(duì)其溫度的影響更大,Bx1 與Bx3 在100 ms 時(shí)溫差達(dá)到6.8 ℃;而AlN-DBC 陶瓷層厚度的影響較小,100 ms 時(shí)Bx2 與Bx4 的溫差僅為2.2℃。在隨后的時(shí)間里可以看到Bx1 升溫速率最快,說明其散熱性能最差。Al2O3-DBC 樣品Bx1、Bx3 在10 s 后溫差穩(wěn)定為24.1 ℃;AlN-DBC 樣品Bx2、Bx4 在10 s時(shí)溫差高達(dá)31.3 ℃,隨后差距逐漸縮小,最終結(jié)果與穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果吻合。通過瞬態(tài)仿真分析發(fā)現(xiàn),10 s 時(shí)Bx1、Bx4 的溫差超過55 ℃,樣品Bx4 的升溫過程平均溫度最低,散熱性能最佳。

圖6 瞬態(tài)仿真溫度曲線Fig.6 Transient simulation temperature curves

3.2 材料厚度的影響

由于功率芯片主要是通過與DBC 基板相連的散熱器進(jìn)行熱量傳遞,芯片尺寸及橫向布局相對(duì)固定,因此DBC 基板中各層材料的厚度是優(yōu)化模塊熱管理的關(guān)鍵因素。

3.2.1 陶瓷層厚度的影響

首先以DBC 基板中間陶瓷層厚度為研究變量,分析其對(duì)DBC 基板熱傳導(dǎo)的影響。保持上下銅層厚度為0.3 mm 不變,由于陶瓷層的主要作用是絕緣隔離,因此厚度選擇不能太薄,否則會(huì)引起模塊功能失效,仿真計(jì)算中選取陶瓷層的厚度分別為0.35,0.55,0.75,0.95,1.15,1.35 和1.55 mm,陶瓷層厚度對(duì)DBC 基板最高溫度的影響如圖7 所示。當(dāng)增大陶瓷層厚度時(shí),DBC 基板的最高溫度不斷升高,說明從散熱能力和成本因素出發(fā),無論哪種陶瓷材料,陶瓷層都是越薄越好;但是為了保證絕緣要求及機(jī)械強(qiáng)度,陶瓷層的參考厚度一般為0.35～0.65 mm。其中,Al2O3-DBC 隨陶瓷層厚度的變化影響更大,因?yàn)楦邔?dǎo)熱系數(shù)AlN 陶瓷材料的使用在很大程度上降低了DBC 的整體熱阻,減小陶瓷層厚度,其最高溫度的下降幅度較為平緩。

圖7 陶瓷層厚度對(duì)DBC 基板最高溫度的影響Fig.7 Influence of ceramic layer thickness on the maximum temperature of the DBC substrate

3.2.2 銅層厚度的影響

以DBC 基板上下銅層厚度為研究變量,分析其對(duì)DBC 基板熱傳導(dǎo)的影響。保持陶瓷層厚度為0.38 mm不變,選取上下銅層厚度相同,分別為0.01,0.06,0.11,0.16,0.21,0.26,0.31 mm。

銅層厚度對(duì)DBC 基板最高溫度的影響曲線如圖8所示,當(dāng)上下銅層厚度增加時(shí),DBC 基板的最高溫度降低;而銅層厚度增至0.16 mm 后,最高溫度的下降趨于平緩;繼續(xù)增加銅層厚度,最高溫度開始上升。同樣因?yàn)樘沾蓪硬牧蠠釋?dǎo)率的優(yōu)越性,AlN-DBC 的最高溫度隨銅層厚度的變化小于Al2O3-DBC。

圖8 銅層厚度對(duì)DBC 基板最高溫度的影響曲線Fig.8 Influence of copper layer thickness on the maximum temperature of the DBC substrate

4 分析與討論

根據(jù)一維熱阻的定義:

式中:Rth為覆銅陶瓷基板各層的熱阻;λ為材料導(dǎo)熱系數(shù);h為材料厚度;A為傳熱面積;a為橫截面的長;b為橫截面的寬。可以看出,通過改變厚度、面積或基板各層材料的導(dǎo)熱系數(shù),都可以改變基板各層的原始熱阻。

式中:Rthtot為DBC 基板的總熱阻;RCu為銅層熱阻;RAl2O3為陶瓷層熱阻。熱阻計(jì)算示意圖如圖9 所示,DBC 基板的總熱阻Rthtot是三層材料熱阻之和。為了減小總熱阻,可以從降低RCu或RAl2O3入手。對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)比較低的陶瓷材料,陶瓷層散熱方式主要為縱向傳熱,由式(1)可知,陶瓷層越薄,RAl2O3越小,因此在滿足絕緣和機(jī)械強(qiáng)度的條件下陶瓷層厚度越小越好。

圖9 熱阻計(jì)算示意圖Fig.9 Schematic diagram of thermal resistance calculation

銅層厚度的變化對(duì)RCu的影響比較復(fù)雜,由式(1)可知,一維模型中直觀看出較薄的銅層有更低的熱阻,但是實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果表明,在三維模型中較薄的銅層熱擴(kuò)散能力較弱,熱阻反而加大。這是因?yàn)殂~的導(dǎo)熱系數(shù)比較高,芯片產(chǎn)生的熱量沿著縱橫方向迅速擴(kuò)散。具體來說,銅層厚度h增大,縱向熱阻變大;而對(duì)橫向熱阻而言,厚度a(或b)不變,橫截面積h×b(或h×a)變大,橫向熱阻減小。對(duì)于薄銅層,其厚度h遠(yuǎn)小于其長度a和寬度b,因此相比之下,橫向熱阻減小得更多,DBC 的整體熱阻減小,其最高溫度下降。從圖8 可以看出當(dāng)銅層達(dá)到一定厚度后最高溫度幾乎不變,說明此時(shí)銅層橫向熱阻的減少量與縱向熱阻的增加量相近,對(duì)DBC 最高溫度的影響較小。如果繼續(xù)增加銅層厚度,縱向熱阻的增加量比重變大,將會(huì)引起總熱阻增加。因此,繼續(xù)增加銅層厚度對(duì)散熱沒有作用,不僅增加成本,還會(huì)影響模塊的質(zhì)量與封裝。針對(duì)本文建立的模型,銅層厚度在0.16～0.26 mm 時(shí)DBC 最高溫度較低,該區(qū)間為銅層最優(yōu)參考厚度范圍。

另外,DBC 基板各層的厚度不僅與散熱有關(guān),對(duì)陶瓷層而言,其不同厚度對(duì)應(yīng)不同的絕緣等級(jí),而銅層不同厚度對(duì)應(yīng)不同的電流承載能力。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)所設(shè)計(jì)模塊的絕緣耐壓需求、電流電壓等級(jí)以及散熱設(shè)計(jì)需求綜合選用合適類型的覆銅陶瓷基板。

5 覆銅陶瓷基板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

綜合分析得出銅層及陶瓷層厚度的變化對(duì)Al2O3-DBC 的影響比較大,而對(duì)AlN-DBC 影響很小,說明選取導(dǎo)熱系數(shù)更高的陶瓷材料后DBC 基板的熱阻受結(jié)構(gòu)尺寸的影響較小。在新型材料的工藝研發(fā)條件下,通過優(yōu)化DBC 各層材料的導(dǎo)熱屬性,可以得到熱阻更小的基板。

5.1 優(yōu)化金屬層材料

陶瓷層為厚度0.635 mm 的AlN 不變,厚度18 μm 的金屬層材料分別取Cu、Al、GF(石墨烯薄膜)和Cu/GN 薄膜(銅與石墨烯的復(fù)合材料)。其中,參考瑞典SHT 公司的產(chǎn)品數(shù)據(jù),GF 導(dǎo)熱系數(shù)為2000 W/(m·K)。Cu/GN 薄膜采用微波輔助熱還原法(MA)制備,以銅納米粒子或納米團(tuán)簇修飾的導(dǎo)熱石墨烯納米片(GNs),再結(jié)合熱還原使Cu 均勻地分散沉積在GNs上,其導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)1912 W/(m·K)[15-16]。圖10 所示為不同金屬層材料對(duì)應(yīng)的DBC 基板最高溫度,可以看出,金屬層為GF 時(shí),DBC 基板溫度最低,散熱性能最好。但是金屬層較薄時(shí),其材料的熱導(dǎo)率提升對(duì)DBC 基板熱傳導(dǎo)性能影響幅度不大。

圖10 金屬層材料對(duì)DBC 基板最高溫度的影響Fig.10 Effect of metal layer material on the maximum temperature of the DBC substrate

5.2 優(yōu)化陶瓷層材料

采用不同陶瓷材料的覆銅陶瓷基板,其導(dǎo)熱性能有很大區(qū)別。由式(1)可知,陶瓷層材料導(dǎo)熱系數(shù)越大,該層的熱阻越小。上下銅層厚度保持18 μm 不變,厚度0.635 mm 的陶瓷層材料分別取Al2O3、AlN、Si3N4、BN 和SiC 材料。圖11 所示為不同陶瓷層材料對(duì)DBC基板最高溫度的影響。可以看出,SiC 導(dǎo)熱能力最強(qiáng),熱導(dǎo)率約為Al2O3的13 倍,且SiC 陶瓷的熱膨脹系數(shù)與Si 最接近,但是其介電常數(shù)高、絕緣電壓低,使其在高頻工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用受限[17]。高導(dǎo)熱BN 材料綜合性能好,但是與半導(dǎo)體材料熱膨脹系數(shù)不匹配,而且成本較高[18]。Si3N4陶瓷力學(xué)性能最好,耐磨抗彎、熱膨脹系數(shù)小,但是其熱導(dǎo)率偏低、價(jià)格貴、制備工藝復(fù)雜,一般應(yīng)用在強(qiáng)度要求大而散熱需求低的場合[19]。

圖11 陶瓷層材料對(duì)DBC 基板最高溫度的影響Fig.11 Effect of ceramic layer material on the maximum temperature of the DBC substrate

5.3 最終優(yōu)化方案

綜合以上分析,取最優(yōu)金屬層材料GF、陶瓷層材料SiC,保持各層厚度與樣品Bx4 一致,仿真得到其最高溫度降低了8.2 ℃。而現(xiàn)有工藝條件下,當(dāng)SiC在高真空加熱溫度超過1400 ℃時(shí),其表面可以外延生長出遷移率高、導(dǎo)電性能好的平整石墨烯層[20],說明該方案在未來具有一定的應(yīng)用可行性。

對(duì)于覆銅陶瓷基板未來的研發(fā)方向,金屬層材料的優(yōu)化性價(jià)比不高,隨著陶瓷復(fù)合工藝技術(shù)的提高,可以選擇熱傳導(dǎo)性能更好的陶瓷材料來提升基板的散熱性能。

6 結(jié)論

本文基于IPM 中覆銅陶瓷基板的圖形和結(jié)構(gòu),通過對(duì)樣品進(jìn)行紅外測試實(shí)驗(yàn),提出不同材料與厚度對(duì)基板熱傳導(dǎo)性能的影響。然后,熱仿真研究了陶瓷層材料、陶瓷層厚度以及上下銅層厚度對(duì)覆銅陶瓷基板的溫度影響規(guī)律,具體分析了其原因。結(jié)果表明:覆銅陶瓷基板的熱阻隨銅層厚度的增大先減小后增大,本文模型中銅層最優(yōu)參考厚度范圍為0.16～0.26 mm;覆銅陶瓷基板的熱阻隨陶瓷層厚度的增大而增大,陶瓷層厚度變化量一致時(shí),Al2O3-DBC 的最高溫度變化量為49.7 ℃,而AlN-DBC 的最高溫度變化量為7.4℃?？梢钥闯?厚度的變化對(duì)低熱導(dǎo)陶瓷材料基板的影響較大,其穩(wěn)態(tài)溫差和瞬態(tài)溫差變化一致。而高熱導(dǎo)陶瓷材料的覆銅陶瓷基板熱傳導(dǎo)能力更強(qiáng),其穩(wěn)態(tài)溫差隨基板各層厚度的變化影響較小,但在升溫初期瞬態(tài)溫差很大。

總之,覆銅陶瓷基板設(shè)計(jì)過程中應(yīng)首選最優(yōu)陶瓷材料,其次陶瓷層厚度在滿足絕緣耐壓條件下盡可能薄些,銅層厚度在滿足功率等級(jí)條件下可選拐點(diǎn)處參數(shù)。該討論可為覆銅陶瓷基板的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要參考。