项罗毅，孙祥玉，邵凌翔，陈  晨

（常州瑞华电力电子器件有限公司，江苏 常州213200）

摘  要：随着工业产品的小型化、轻型化、智能化的发展，对电力电子器件的封装提出了越来越高的要求，功率模块的封装已经成为电子器件轻型化、小型化发展的瓶颈。由于覆铜铝基板具有质量轻、导热好、成本低等优点，因此在功率模块的快速封装中具有较大的应用前景。本文重点介绍了铝基板在功率模块上的发展和优势，并通过试验对比了传统陶瓷基板，论证了新型覆铜铝基板具有优异的性能，能够满足小功率模块导热和耐压的性能要求。

关键词：覆铜铝基板；封装；导热；功率模块

The research of Al-based Copper Clad Laminate in the power modules’ packaging

Xiang Luoyi,Sun Xiangyu,Shao Lingxia,Chen Chen

Abstract:With the development of industrial products which have characters of downsizing, lightness and intelligence.The package of power electronic devices become more and more important.Power module packaging has become a bottleneck of electronic devices in the light and small development.Al-based Copper Clad Laminate has the advantages of light weight, good thermal conductivity, low cost etc,So it will have wide application prospect in the rapid packaging of power modules.This paper mainly introduces the developments and advantages of aluminum substrate in the power module,and through the comparative test of traditional ceramic substrate,Al-based Copper Clad Laminate has excellent performances,which can meet the performance requirements of thermal conductivity and Isolation Voltage in small power modules.

Key words: Al-based Copper Clad Laminate;Package;Thermal Conductivity;Power module

作者简介：项罗毅（1986），男，江苏常州，本科，机械加工。

中图分类号:TH142.2            文献标识码：A       文章编号：

电力电子技术作为节能、环保、自动化、智能化、机电一体化的基础，已被广泛应用于农业、工业、商业等各领域，在国民经济中具有十分重要的地位。电力电子器件的产生与不断发展是电力电子技术产生与发展的基础。功率模块的创新与封装工艺，已成为世界各国工业机电一体化和自动化控制等领域内竞争最为激烈的阵地。为实现用电设备的高效节能，同时实现工控设备的小型化、轻型化、智能化，需要从新材料应用的上创新，以此推动电力电子器制造工艺的技术创新，提高器件的可靠性。

经三十多年的发展，陶瓷基板在电子封装领域中已得到了广泛的应用。特别是近十年来，覆铜陶瓷基板（DBC）得到了较大的发展，其相比传统的陶瓷基板，具有润湿性好、焊点强度高、导热性好等优点，在功率模块封装中具有一定的优势。但是散热铜底板与金属化基板之间有焊锡层，不同材料之间本身有较大的热阻，加上焊接层的厚度和焊接质量都会影响基板材料整体的散热性能。同时传统的封装材料密度高、质量重，影响模块轻型化发展。

现用于小功率设备（20kW以下)如逆变焊机、变频器、光伏逆变器等（如图1所示）上的功率器件（一般为60A以下）市场需求量很大，依据我司此类产品销售量一年大约在25万只左右，传统的封装工艺很难满足工业产品小型化、轻型化的发展需求。目前，覆铜铝基板具有质量轻、导热好、成本低等优势，同时能够使小功率模块封装工艺简单化，因此覆铜铝基板技术在小功率模块封装中具有较大的应用前景。本课题在对比了传统陶瓷基板的基础上，研究了新型覆铜铝基板具有优异的性能，能够满足了小功率模块快速封装的要求。既符合功率模块轻型化、小型化现代发展的要求，又能够降低功率模块的制造成本和提高功率模块质量，具有深远的影响。

图1 逆变设备典型应用

1 功率模块散热基板的发展

    功率模块主要用于高电压、大电流的场合，所产生的热量主要通过散热基板传导到外壳而散发出去。功率模块工作中的热量主要来自PN结产生的热量，其结温通常在125℃～175℃之间，一旦超过PN结允许的耗散功率，就会因热量散发不出去而导致PN结温度上升，直至过热而烧毁，造成芯片热击穿。因此散热基板的高散热性能至关重要。

功率模块上应用最广的为陶瓷基板，主要是Al₂O₃陶瓷表面焊接区域覆镍或银，具有较好的润湿性，但是焊点强度较差。为了提高陶瓷材料导热能力，出现了高导热的AlN、SiC陶瓷基板，但是价格昂贵，应用较少。近十年来，覆铜陶瓷基板（DBC）的出现，使传统的陶瓷基板的有了较大的改善，其具有焊接性好、散热好的特点，在功率模块上有较广泛的应用，但相比传统陶瓷基板价格仍然较高。

而近几年，覆铜铝基板在LED灯行业的应用，使小功率模块变得轻型化、小型化看到了曙光。在这里不得不介绍一下金属基板的发展。金属基板主要有金属芯基板、包覆型金属基板、金属基板三种。现在金属芯基板基本已经看不见了。而较为少见的是包覆型金属，在其表面包裹一层釉料，起到绝缘层的目的，在此基础上经丝网漏印、烧结制成一层金属焊接层。如今应用最广泛的是金属基板，它是以金属板（铜、铝、铁等）为底材，在其覆上有树脂作为绝缘层，然后再覆上导电层。其中最为常见的覆铜铝基板，如图2所示。

                
图2 覆铜铝基板

早在上世纪五十年代，日本专家就已经有金属基覆铜箔这种设想，而直到1969年该制造技术由日本三洋电机公司首次开发成功。在我国铝基板起步较晚，发展较慢。但是覆铜铝基板还是以其最优的性价比，优异的电气性能、散热性、电磁屏蔽性、高耐压，在新兴的LED灯、微电子等行业得到广泛应用。

早期的覆铜铝基板热导率较差，究其原因主要是所使用的FR-4半固化片热导率非常低，仅为0.15～0.25 W/mk。这种传统的绝缘层是由覆有环氧玻璃布半固化片制成的多层结构。常见的有机材料的性能如表1所示。这种传统结构不仅存在散热问题，而且高温下焊接时由于热膨胀系数不一致存在绝缘层与金属基板分离问题。而最近几年，改进的绝缘层新型覆铜铝基板具有较大的优势，解决了分层问题，同时热导率低的问题也大大改善。由BN、Al₂O₃、Si₃N₄等陶瓷颗粒组成的混合填充料而改性的环氧树脂热导率可达3 W/mK左右。除此之外，绝缘层的绝缘耐压能力也得到了显著提高。这些无机材料具有很好导热和介电性能，常见的无机填料的性能如下表2所示。

表1 常见的有机材料的性能