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功率型封装基板的多种应用类型的对比和分析

功率型封装基板作为热与空气对流的载体,其热导率对散热起着决定性作用。DPC陶瓷基板以其优良的性能和逐渐降低的价格,在众多电子封装材料中显示出很强的竞争力,是未来封装发展的趋势。

随着科学技术的发展、新制备工艺的出现,高导热陶瓷材料作为新型电子封装基板材料,应用前景十分广阔。

随着芯片输入功率的不断提高,大耗散功率带来的大发热量给封装材料提出了更新、更高的要求。在散热通道中,封装基板是连接内外散热通路的关键环节,兼有散热通道、电路连接和对芯片进行物理支撑的功能。

对高功率产品来讲,其封装基板要求具有高电绝缘性、高导热性、与芯片匹配的热膨胀系数等特性。

功率型封装基板的多种应用类型的对比和分析

树脂基封装基板:配套成本高普及尚有难度

EMC和SMC对模压成型设备要求高,一条模压成型生产线价格在1000万元左右,大规模普及尚有难度。

近几年兴起的贴片式支架一般采用高温改性工程塑胶料,以PPA(聚邻苯二甲酰胺)树脂为原料,通过添加改性填料来增强PPA原料的某些物理、化学性质,从而使PPA材料更加适合注塑成型及贴片式支架的使用。PPA塑料导热性能很低,其散热主要通过金属引线框架进行,散热能力有限,只适用于小功率封装。

随着业界对散热的重视,两种新的热固性塑胶料——环氧塑封料(EMC)和片状模塑料(SMC)被引入贴片式支架中。

EMC是以高性能酚醛树脂为固化剂、导热系数较高的硅微粉等为填料、多种助剂混配而成的粉状模塑料。SMC主要是由30%左右的不饱和树脂、40%左右的玻璃纤维、无机填料以及其他添加剂组成。

这两种热固性模塑料热固化温度在150℃左右,经过改性后导热系数可达4W/(m·K)~7W/(m·K),与PPA塑胶相比有较大提高,但缺点是流动性与导热性较难兼顾,固化成型时硬度过高,容易产生裂纹和毛刺。EMC和SMC固化时间长,成型效率相对较低,对模压成型设备、模具及其他配套设备的要求相当高,一条模压成型及配套生产线价格在1000万元左右,大规模普及尚有难度。

金属芯印刷电路板:制造工艺复杂实际应用较少

铝基板的加工制造过程复杂、成本高,铝的热膨胀系数与芯片材料相差较大,实际应用中较少采用。

随着封装向薄型化及低成本化方向发展,板上芯片(COB)封装技术逐步兴起。目前,COB封装基板大多使用金属芯印刷电路板,高功率封装大多采用此种基板,其价格介于中、高价位间。

当前生产上通用的大功率散热基板,其绝缘层导热系数极低,而且由于绝缘层的存在,使得其无法承受高温焊接,限制了封装结构的优化,不利于散热。

如何提高环氧绝缘层的导热系数成为现阶段铝基板的研究热点。目前采用的是一种掺有高热传导性无机填充物(比如陶瓷粉末)的改性环氧树脂或环氧玻璃布黏结片,通过热压把铜箔、绝缘体以及铝板黏结起来。

目前国际上已经开发出一种“全胶铝基板”,采用全胶的铝基板的热阻可以做到0.05K/W。此外,我国台湾的一家公司最近开发出一种类钻碳材料DLC,并将其应用于高亮度LED封装铝基板的绝缘层。

DLC有许多优越的材料特性:高热传导率、热均匀性与高材料强度等。因此,以DLC取代传统金属基印刷电路板(MCPCB)的环氧树脂绝缘层,有望极大提高MCPCB的热传导率,但其实际使用效果还有待市场考验。

一种性能更好的铝基板是直接在铝板上生成绝缘层,然后印制电路。采用这种方法的最大优点是结合力强,而且导热系数高达2.1W/(m·K)。但这种铝基板的加工制造过程复杂、成本高,而且,金属铝的热膨胀系数与芯片材料相差较大,器件工作时热循环常会产生较大应力,最终可能导致失效,因此在实际应用中较少采用。

硅基封装基板:面临挑战良品率低于60%

硅基板在绝缘层、金属层、导通孔的制备方面都面临挑战,良品率不超过60%。

以硅基材料作为封装基板技术,近几年逐渐从半导体业界引进到业界。硅基板的导热性能与热膨胀性能都表明了硅是较匹配的封装材料。

硅的导热系数为140W/m·K,应用于封装时,所造成的热阻只有0.66K/W;而且硅基材料已被大量应用在半导体制程及相关封装领域,所涉及相关设备及材料已相当成熟。因此,若将硅制作成封装基板,容易形成量产。

不过,硅基板封装仍有许多技术问题。例如,材料方面,硅材容易碎裂,且机构强度也有问题。结构方面,硅尽管是优良导热体,但绝缘性不良,必须做氧化绝缘处理。

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