智能功率模塊中絕緣鋁基板可靠性提升設(shè)計(jì)研究

黨 寧， 潘效飛， 龔 平

（無錫華潤安盛科技有限公司， 江蘇 無錫 214028）

1 引言

對于具備變頻功能的家用電器來說，其核心是智能功率模塊（Intelligent Power Module，簡稱IPM）。IPM封裝本質(zhì)上就是將傳統(tǒng)分立器件與控制處理芯片集成在同一塊載板上進(jìn)行封裝，提高了集成化的程度和各芯片間的配合度，在提升可靠性的同時(shí)降低了維修更換的難度，是家用電器走向智能化的必需之物。

智能功率模塊所用的載板大致可以分為傳統(tǒng)框架、覆銅陶瓷板（Direct Bonding Copper，簡稱DBC）和絕緣金屬基板（Insulated Metal Substrate，簡稱IMS）3類。 傳統(tǒng)框架主要采用銅材質(zhì)，但是隨著功率模塊的集成度不斷提高，其難于布線和無絕緣保護(hù)的缺點(diǎn)限制了發(fā)展。 相比之下，DBC 和IMS 結(jié)構(gòu)滿足高導(dǎo)熱、高電絕緣、高機(jī)械強(qiáng)度、低膨脹等特性，同時(shí)能夠刻蝕出各種線路圖形，滿足高集成化的要求。 本文將以絕緣鋁基板作為研究對象，從絕緣層失效分析、鋁基的處理方法、絕緣層的處理方法以及布線層的合理設(shè)計(jì)4 個(gè)方面對鋁基板出現(xiàn)的可靠性問題進(jìn)行闡述和分析。

2 絕緣層失效分析

雖然DBC 基板在導(dǎo)熱性上表現(xiàn)更優(yōu)， 但其綜合制作成本遠(yuǎn)高于IMS 基板，且基板厚度較大，所以在中小功率IPM 產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，通常選用絕緣鋁基板作為IPM 的封裝載板。 常見的DBC 基板與IMS 基板的數(shù)據(jù)對比如表1 所示。 數(shù)據(jù)對比結(jié)果如下：

1)DBC 基板的導(dǎo)熱系數(shù)約為IMS 基板的9 倍；

2)DBC 基板的絕緣層厚度約為IMS 基板的3 倍；

3) 相同基板面積下，IMS 基板熱阻約為DBC 基板的4 倍（常規(guī)工作溫度）。

鋁基板構(gòu)造如圖1 所示，大體上可以分為4 部分，鋁板基底層、電絕緣層、銅布線層以及綠油阻焊層。 以常用的環(huán)氧樹脂塑封功率模塊為介紹對象，在實(shí)際生產(chǎn)中，鋁基板會與外接框架、傳送載具以及塑封模具等直接接觸，這些接觸是絕緣層所受外應(yīng)力的直接來源。 通過多年來的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累，框架和模具的設(shè)計(jì)已經(jīng)趨于成熟，可以將外應(yīng)力對絕緣層的影響降低到最小。 但是在絕緣層與其他介層以及絕緣層內(nèi)部結(jié)合力最“ 脆弱”時(shí)，看似不起眼的外應(yīng)力便會帶來介層間分層以及絕緣層撕裂的問題。

表1 IMS 基板與DBC 基板的電性能特性

圖1 鋁基板結(jié)構(gòu)示意圖

鋁基板絕緣層是以環(huán)氧樹脂為基礎(chǔ)、特種陶瓷作為填充料構(gòu)成的，具有熱阻小、粘彈性能優(yōu)良、抗熱老化以及承受機(jī)械力和熱應(yīng)力的特點(diǎn)。 在功率模塊生產(chǎn)過程中，回流焊最高溫區(qū)可達(dá)280 ℃，塑封模具的溫度一般控制在170～180 ℃，在這種高溫差的生產(chǎn)環(huán)境下，絕緣層的可靠性受到極大挑戰(zhàn)。 隨著溫度的不斷升高，絕緣層的熱膨脹系數(shù)不斷上升，儲存彈性模量不斷降低，在保證絕緣層整體尺寸不變的情況下，其內(nèi)應(yīng)力不斷變大。 與此同時(shí)，由于溫度升高導(dǎo)致絕緣層硬度的降低，外應(yīng)力的作用顯得更為明顯。 在這種情況下，任何無法得到釋放的應(yīng)力都有導(dǎo)致介層分層和絕緣層撕裂的風(fēng)險(xiǎn)。

如表2 所示，H1 與H2 兩組均為高Tg樣品， 在高溫生產(chǎn)環(huán)境下性能大幅度優(yōu)于低Tg樣品，并且擁有更高的相對溫度指數(shù)，絕緣層可靠性更高。 相較于H1 樣品，H2 樣品擁有更高的耐壓性能， 雖然導(dǎo)熱系數(shù)有所提高，但是絕緣層厚度較大，整體散熱性能較差，需要輔配更優(yōu)的散熱方案。 在白色家電領(lǐng)域，高壓性能需求等級并不是特別高，但是對于絕緣層在生產(chǎn)和應(yīng)用過程中受應(yīng)力會產(chǎn)生失效風(fēng)險(xiǎn)的情況必須杜絕。

3 鋁基的處理方法

由于IPM 基板需要滿足散熱性好、 成本低等特性，鋁自然成為基底金屬的首選。 實(shí)際生產(chǎn)中，鋁層主要需要滿足如下兩個(gè)特點(diǎn)：

表2 新產(chǎn)品和現(xiàn)有產(chǎn)品的一般特性

1) 與絕緣層和包封材料（環(huán)氧樹脂為主）達(dá)成良好接觸。

2) 針對基板外露產(chǎn)品，需要在鋁基板表面形成致密氧化層，提高耐磨性。

3.1 陽極氧化表面處理技術(shù)

目前鋁層處理多采用陽極氧化表面處理技術(shù)，將鋁板作為陽極放置在硫酸、草酸等電解液中，在通電情況下發(fā)生氧化還原反應(yīng)。 負(fù)極中的OH-離子向陽極移動，最終在鋁板表面形成一層氧化膜。 相較于自然環(huán)境下形成的鋁板鈍化層，耐磨性、耐蝕性和硬度等機(jī)械性能都大幅提高。 這種經(jīng)過陽極氧化處理形成的氧化膜具有如下幾種特點(diǎn)：

1) 提高鋁層的耐腐蝕性，尤其對于基板外露的產(chǎn)品來說，可以有效起到阻隔酸、堿等其他腐蝕性環(huán)境的作用；

2) 提高鋁層的耐磨性， 解決鋁金屬質(zhì)地較軟、易被劃傷的問題；

3) 此種氧化層具有較亮光澤，在一定程度上提高了鋁層的美觀度；

4) 形成的多孔型陽極氧化膜可以為后續(xù)表面處理的化學(xué)涂層提供良好吸附能力。

雖然陽極氧化表面處理技術(shù)已經(jīng)十分成熟，但仍有如下幾個(gè)無法徹底解決的問題：

1) 陽極氧化工藝流程復(fù)雜，且形成的氧化膜表面存在大量孔洞，雖然有助于吸附后續(xù)表面處理的化學(xué)涂層，但制成過程中存在吸附污染物的可能性，所以在表面處理前需要進(jìn)行封孔操作，這兩個(gè)問題導(dǎo)致此種鋁板處理方式耗時(shí)較長；

2) 陽極氧化后的鋁層在與絕緣層貼附過程中，表面無法提供所需的摩擦力， 所以需要額外進(jìn)行打磨、粗化處理；

3) 陽極氧化廢液多為酸性液體，處理回收不當(dāng)會引起環(huán)境污染問題。

3.2 微弧氧化表面處理技術(shù)

近年來，為了解決陽極氧化表面處理技術(shù)帶來的諸多問題， 很多企業(yè)開始使用微弧氧化表面處理技術(shù)。 將鋁金屬放置在弱堿性溶液中并施以高壓，使得鋁材表面產(chǎn)生等離子放電效應(yīng)，在瞬間高溫的環(huán)境下形成一層與鋁材有冶金結(jié)合的均勻的絕緣氧化陶瓷膜層[1]。 因?yàn)檫@種微弧氧化在鋁材表面具有很高的能量密度，所以可以形成高硬度且與基材緊密結(jié)合的膜層。 微弧氧化陶瓷膜層厚度可達(dá)300 μm，最高顯微硬度可達(dá)3 000 HV，絕緣電阻超過100 MΩ，可以大大改善鋁材的耐腐蝕、耐磨以及電絕緣性能[2,3]。

通過膜層表面形貌對比，可以測量出多孔性陽極氧化膜層的孔徑大小大概為幾十到幾百納米之間，微弧氧化膜層表面微孔直徑大小約為幾微米。 孔徑越小，相同面積下鋁層與后續(xù)結(jié)合的絕緣層之間的接觸面積越大，結(jié)合效果越理想（微米級孔徑對結(jié)合面潤濕性影響可忽略）。 微弧氧化陶瓷層的平均推力約為40 kg，遠(yuǎn)大于陽極氧化膜層的平均推力（12 kg），并且隨著制備時(shí)電流密度的調(diào)整和電解溶液添加劑的配比變化，微弧氧化膜層的孔隙率還會繼續(xù)提升，孔隙率的提升可以直接提高膜層的推力。

微弧氧化工藝的出現(xiàn)，從多方面提升了鋁基層的性能，有效增強(qiáng)了鋁材與絕緣層的結(jié)合力，對解決分層問題起到了關(guān)鍵作用。

4 絕緣層的處理方法

環(huán)氧樹脂擁有良好的介電性能、膠結(jié)強(qiáng)度和耐化學(xué)性，常被用作鋁基板絕緣層的基材，但由于環(huán)氧樹脂本身仍舊存在線性熱膨脹系數(shù)較大和導(dǎo)熱系數(shù)較低等缺點(diǎn)，所以必須進(jìn)行改性處理，本文簡述兩種改性處理方法以解決上述環(huán)氧樹脂材料特性缺陷問題。

4.1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

絕緣層作為鋁基板最重要的絕緣介質(zhì)，對其可靠性的要求很嚴(yán)格， 由于環(huán)氧樹脂本身存在橫向性能、層間剪切強(qiáng)度低和線性膨脹系數(shù)較大等特性，導(dǎo)致其質(zhì)地較脆且抗剝離、 抗開裂和抗沖擊的性能較差，在后續(xù)模塊封裝的過程中，絕緣層內(nèi)部會出現(xiàn)撕裂和隱裂的問題，實(shí)際上板運(yùn)作后，這些問題都會被放大，最終導(dǎo)致電性能失效。

玻璃纖維是一種常見的無機(jī)非金屬高強(qiáng)度增強(qiáng)材料，一般為SiO2、CaO、Al2O3為主體的多種氧化物在高溫熔融狀態(tài)下拉伸冷卻而成，根據(jù)不同氧化物的配比，玻纖材料的種類大致可以分為E-玻璃纖維（無堿玻纖）、S-玻璃纖維（高強(qiáng)度玻纖）、C-玻璃纖維（堿玻纖）以及M-玻璃纖維（高模量玻纖），這4 類玻璃纖維主要成分配比如表3 所示。 其中，E-玻璃纖維是專門為電氣絕緣用途研制的， 同時(shí)具有優(yōu)異的力學(xué)性能；S-玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度和彈性模量高于E-玻璃纖維，同時(shí)還具有較好的抗疲勞性能，被用于制備高強(qiáng)度零件、火箭發(fā)動機(jī)殼體；C-玻璃纖維的耐酸堿性較強(qiáng)，被應(yīng)用于蓄電池套管和耐腐蝕部件；M-玻璃纖維的密度比其他玻璃纖維高，常被用于航空領(lǐng)域[4-8]。

4.1.1 玻璃纖維紙

玻璃纖維紙是由短切E-玻璃纖維和粘結(jié)劑構(gòu)成，因?yàn)椴捎闷矫骛べN方式，交叉部分較為疏松，所以對環(huán)氧樹脂和填充物的吸附能力較強(qiáng)，可以保證絕緣層內(nèi)部填充均勻。 但由于玻璃纖維紙是一種剛性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此其脆性較大且整體厚度較大，所以逐漸被較為輕便、價(jià)格更低的玻璃纖維布取代。

4.1.2 玻璃纖維布

玻璃纖維布采用經(jīng)緯編織的方式，將玻璃纖維紗編織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其纖維密度大于玻璃纖維紙，強(qiáng)度更高且厚度可以做到玻璃纖維紙的五分之一，是目前鋁基板絕緣層增強(qiáng)復(fù)合材料的首選。 但由于其編織密度過高， 環(huán)氧樹脂和填充料無法完全浸潤玻璃纖維布，導(dǎo)致其同一平面的特性出現(xiàn)差異，是現(xiàn)有工藝仍需解決的問題。 玻璃纖維紙和玻璃纖維布的性能參數(shù)對比如表4 所示。

表4 玻璃纖維性能參數(shù)[9]

4.1.3 玻璃纖維紙+玻璃纖維布

還有一種將玻璃纖維紙與玻璃纖維布組合使用的方法，但由于功率模塊鋁基板整體厚度要求，此種方式一般不作為增強(qiáng)模型使用。

4.2 絕緣層填充料

通過添加玻璃纖維的方式可以增強(qiáng)絕緣層的機(jī)械強(qiáng)度，但由于環(huán)氧樹脂和玻璃纖維的導(dǎo)熱系數(shù)都不高， 所以需要添加無機(jī)填充料形成導(dǎo)熱網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)，雖然玻璃纖維紙相較于玻璃纖維布更加疏松，更容易讓填充物均勻擴(kuò)散，但考慮到絕緣層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和造價(jià)成本，更多公司傾向于選用玻璃纖維布和無機(jī)填充物的組合。 常見的填充物有氧化鋁、氧化鎂、氮化鋁、碳化硅等， 不同的填充料決定了鋁基板的整體導(dǎo)熱系數(shù)，為了保證盡量多地添加無機(jī)填充物，需要選用流動性較好的環(huán)氧樹脂做基材。

4.2.1 填充料添加量對熱導(dǎo)系數(shù)的影響

實(shí)驗(yàn)采用玻璃纖維布結(jié)構(gòu)和氧化鋁作為絕緣層填充物，隨著氧化鋁的添加量上升，鋁基板導(dǎo)熱率在不斷上升，當(dāng)添加量超過某個(gè)界限值（與玻纖種類和填充物相關(guān)）后，鋁板導(dǎo)熱率就會下降，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。通過微觀觀察，發(fā)現(xiàn)絕緣層中會出現(xiàn)氣泡和環(huán)氧樹脂流動不暢等缺陷，導(dǎo)致鋁基板的電、熱、機(jī)械性能的降低。

表5 不同Al2O3 占比的玻璃纖維布鋁基板的熱導(dǎo)率

4.2.2 填充料的形狀對熱導(dǎo)系數(shù)的影響

球形填充料相較于其他形狀的填充料有更好的流動性，易于填充。 在填充添加量相同的情況下，熱導(dǎo)率更高，是鋁基板絕緣層填充料的首選。

5 布線層的合理設(shè)計(jì)

在保證絕緣層與鋁層和銅層接觸緊密的情況下，在正常生產(chǎn)和應(yīng)用中， 介層間的分層問題便可以杜絕，但絕緣層本身撕裂的問題仍有發(fā)生。 本文使用未添加玻璃纖維的絕緣鋁基板作為分析對象，研究銅布線層的分布設(shè)計(jì)對絕緣層撕裂現(xiàn)象是否有改善作用。

5.1 絕緣層撕裂原因分析

5.1.1 封裝過程中出現(xiàn)的外應(yīng)力

在功率模塊封裝過程中，絕緣層上方銅層通過焊料與引線框架結(jié)合在一起，通過前期研究，發(fā)現(xiàn)塑封過程是外力作用最明顯的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。 根據(jù)常規(guī)的塑封模具設(shè)計(jì)，鋁基板面直接或通過塑封樹脂間接與模具下表面接觸， 引線框架引腳則放置在模具分型面處。在模具合模過程中，鋁基板和引腳直接受到模具的擠壓作用力，外力最終交匯到絕緣層和引腳焊接銅層的結(jié)合處，在復(fù)雜且無法抵消的外力作用下，絕緣層撕裂概率急劇上升。

5.1.2 局部膨脹系數(shù)失配

銅層與絕緣層之間的CTE 失配會導(dǎo)致疲勞損傷的出現(xiàn)，局部失配引入的界面應(yīng)力如式（1）所示：

在式（1）中，F(xiàn) 代表界面應(yīng)力，L 代表接觸長度，α1代表界面1 的熱膨脹系數(shù)，α2代表界面2 的熱膨脹系數(shù)，Tmax和Tmin分別代表最高和最低溫度。由式（1）可以看到界面應(yīng)力與兩界面的CTE 差值、高低溫差值和接觸長度成正比。 當(dāng)出現(xiàn)局部CTE 失配時(shí)，接觸界面會引入剪切應(yīng)力和剝離應(yīng)力，在一定程度上加大了絕緣層撕裂的可能性。

5.2 布線層設(shè)計(jì)方案

在塑封模具力學(xué)設(shè)計(jì)最優(yōu)的情況下，布線銅層的設(shè)計(jì)顯得尤為重要，核心觀念就是利用銅層和引線框架盡量多地消耗應(yīng)力。 本文提出兩個(gè)已經(jīng)通過工程實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有效的方案：

1) 布線層選用剛度較小的銅材并根據(jù)焊接引腳的大小適當(dāng)擴(kuò)展焊接銅層面積， 有利于減小應(yīng)力產(chǎn)生。

2) 布線層設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)增加布線總長和彎曲程度，有利于釋放已經(jīng)產(chǎn)生的應(yīng)力。

6 結(jié)束語

在家電智能化的進(jìn)程中，使用鋁基板生產(chǎn)的智能功率模塊日漸流行，隨著市場對功率模塊的可靠性要求愈發(fā)嚴(yán)格， 絕緣層的分層和撕裂問題必須得到解決。 在絕緣鋁基板設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中，通過對鋁基進(jìn)行微弧氧化表面處理，絕緣層添加增強(qiáng)型纖維和導(dǎo)熱填充料，以及選用剛度匹配的銅材并適當(dāng)延長布線總長和增大焊接銅層面積等方法，可以在保證絕緣層穩(wěn)固的前提下制作出導(dǎo)熱良好、耐高壓的絕緣鋁基板。