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碳化硅模块封装行业发展趋势分析:无底板封装应用广泛
浏览次数:1846 次  日期:2018-5-17 8:32:18


电力电子发展总体目标:提高功率(电流,电压)—降低半导体控制和开关时损耗—扩展工作温度的范围—提高使用寿命,稳定性和可靠性—在降低失误率的同时简化控制和保护电路—降低成本。

未来碳化硅模块组合装配和连接技术(AVT)发展方向是:提高抗温度和负载变化的可靠性—改善散热效果(绝缘基板,基板,散热器)—通过改善外壳和灌注材料和配方来提高抗气候变化的适应性—优化内部连接和外部配件布线—优化外形使安装更简便—降低成型成本,提高环保意识,提高回收再利用的可能性。根据新思界产业研究中心公布的《2018-2022年中国碳化硅模块封装市场供求现状及投资机遇》显示,未来碳化硅模块封装呈现以下趋势:

一、模块封装的集成度越来越高

在电动车辆中,电力电子器件必须节省空间、重量轻、并且即使在恶劣的条件下也要工作可靠。为了满足这些要求,传统基于模块的封装方式已经不能适应下游市场发展的需要,目前尽可能从机械方面集成电力电子系统所有的功能,碳化硅、氮化镓(射频/非射频)模块封装也向着更高的集成度方向发展,标准模块—智能功率模块(IPM)—集成子系统的封装方式,已经被越来越多的企业采用。

目前集成子系统的发展刚刚起步,智能功率模块(IPM)已经被广泛应用,特别是亚洲地区需求强烈。智能功率模块的特点在于除了功率半导体器件外,还有驱动电路。许多IPM模块也配备了温度传感器和电流平衡电路或用于电流测量的分流电阻。通常智能功率模块也集成了额外保护和监测功能,如过电流和短路保护,驱动器电源电压控制和直流母线电压测量等。然而,大部分智能功率模块没有对功率侧的信号输入进行电气隔离。

二、银烧结技术成为连接技术的主流

在芯片与基板的连接中,传统有基板焊接功率模块中,焊接连接往往是模块上的机械薄弱点。由于材料的热膨胀系数不同、高温波动和运行过程中的过度负载循环将导致焊料层疲劳。芯片连接采用银烧结合金而不是焊接,烧结连接熔点高得多,这意味着在给定温度摆幅下连接的老化率将低得多,功率模块的热循环能力可增加五倍。

同一般的焊接相比较,银烧结的最大优点就是在温度变化时仍保持它的坚固性。对物质的烧结潜力可以用它的温度变数来确定。温度变数(%)是指物质工作温度同熔点的比值。两者的单位都是卡(Kelvin)。当温度变数小于40%时,说明物质受温度影响小。当变数在40%到60%时,表面物质特性随温度变化,当超过60%时,它的牢固性就会变得很差,就不适用(表2.5.3)。这种内部扩散的烧结方法的缺点是只能用于贵重金属的表面连接。

三、无底板封装得到越来越多应用

就基本设计原理而言有两种类型的功率模块:带底板的功率模块和不带底板的功率模块。这两种模块存在的共同点就是为了提供电气隔离而将硅片焊接在片状的陶瓷基板上(DCB)。在大多数模块中,陶瓷基板被焊接到铜底板上。铜底板的功能就是确保机械稳定性、确保热传递并提供到散热器的良好的热连接。无底板功率模块封装采用烧结或按压式设计可以取代传统的焊锡连接,降低模块电感提升整体寿命,同时可将功率模块和散热器之间导热硅脂层由传统的100mm降低至25-50mm,极大的降低了模块的热阻,无底板设计在减少模块体积、质量和提升模块性能上表现出了极大的优越性。

底板本身虽然采用高导热率材料(铜:λ=393 W/m*K),但因为它的厚度(2 到5 毫米),它在整个模块热阻中占有不可忽视的份额。减薄底板厚度只能有限的减少它的份额,因为在芯片下的底板从芯片吸取热量,它的截面积越大就散热越快,所以减薄也会减少芯片下的传热截面积。大功率的模块(大于1000A)常常使用AlN陶瓷和AlSiC底板。这主要是它们的热膨胀系数相近(α:AIN 5.7 ppm,AlSiC 7 ppm,铜17ppm)。

同铜相比,AlSiC不良的导热性(λ=180 W/m*K)就提高了热阻,降低了热传导。正如已经提到的,取消底板是最有效的解决方案,它就删除了底板和陶瓷间机械应力带来的弯曲问题。因为没有铜层的散热而带来的额外热阻,正好平衡了删除底板和反面焊接产生的热阻。实际上这种结构是把芯片直接固定在散热片上,它可使导热膏的厚度减少20 到30 微米。一般用多个压力连接件,在芯片附近把DCB压紧在散热片上。去掉底板或者用薄的导热性更好的银烧结层来代替底板,它还会减半。

新思界产业研究员认为,当前电力电子发展的目标是获得更高的电流密度,系统集成度和更高的可靠性。与此同时,在低成本、标准接口以及灵活性和模块化产品系列方面也有更多的呼声。在电力电子模块的发展中可以看出一些趋势,其中最重要的是系统集成、冷却系统的优化、电流密度的提高和成本的降低。应对未来有关更高运行温度及相关可靠性问题挑战的唯一途径是继续发展和优化装配和连接技术。

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