發(fā)布時間：2018-06-28 23:53

  本文選題：功率組件 + 絕緣基板�。� 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：大功率模塊封裝結(jié)構(gòu)一般由芯片、導(dǎo)體/絕緣基板、熱沉、散熱器等構(gòu)成,相互之間再由芯片鍵合材料、熱界面材料等連接,芯片產(chǎn)生的熱量需要通過多種材料、多個界面才能到達(dá)散熱器散出,封裝熱阻難以降低。將陶瓷以膜層的形式直接制作在熱沉材料表面的陶瓷絕緣金屬基板,作為電力電子組件和功率微波組件的絕緣基板,可以大大簡化功率組件封裝結(jié)構(gòu),降低由芯片到熱沉的封裝熱阻。本文以氮化鋁與聚碳硅烷的混合漿料為原料,通過水汽輔助燒結(jié)工藝在W80Cu20金屬基板表面制備了由氮化鋁、氧化鋁和莫來石相組成的復(fù)相陶瓷膜,最后得到陶瓷絕緣金屬基板。在水汽條件下燒結(jié),氮化鋁水解產(chǎn)物熱裂解生成非穩(wěn)態(tài)氧化鋁,聚碳硅烷被水汽刻蝕生成非晶氧化硅。非穩(wěn)態(tài)氧化鋁與非晶氧化硅低溫下即可反應(yīng)生成Al Si O玻璃,進(jìn)一步析晶生成莫來石,而多余的非穩(wěn)態(tài)氧化鋁轉(zhuǎn)變?yōu)榉�(wěn)態(tài)氧化鋁,實(shí)現(xiàn)由氮化鋁、氧化鋁和莫來石組成的氮化鋁-氧化鋁-莫來石復(fù)相陶瓷制備。其中,復(fù)相陶瓷中的氮化鋁組分可提高復(fù)相陶瓷的熱導(dǎo)率,莫來石可降低復(fù)相陶瓷的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù),使得所得到復(fù)相陶瓷具有非常優(yōu)異的綜合性能。系統(tǒng)地研究了水汽輔助燒結(jié)工藝對復(fù)相陶瓷膜反應(yīng)燒結(jié)制備和陶瓷/金屬界面反應(yīng)行為的影響規(guī)律。同時,對所制備的復(fù)相陶瓷絕緣金屬基板完成了力學(xué)性能、熱學(xué)性能和電氣絕緣性能等相關(guān)性能測試,最后采用陶瓷絕緣金屬基板實(shí)現(xiàn)IGBT半橋模塊封裝。本文所取得的主要研究成果概括如下:通過水汽輔助燒結(jié)在W80Cu20/Cr金屬基板表面制備出了由氮化鋁、氧化鋁和莫來石相組成的復(fù)相陶瓷膜。氣氛條件中的水汽含量對燒結(jié)制備的陶瓷膜表面形貌影響非常大。氣氛中水汽含量少時,陶瓷顆粒棱角分明、陶瓷顆粒之間的間隙明顯;隨著氣氛中水汽含量增多,參與反應(yīng)的氮化鋁陶瓷顆粒比較多,陶瓷顆粒棱角模糊、間隙彌合填充,陶瓷反應(yīng)燒結(jié)趨于完善。陶瓷與金屬Cr層間存在明顯的界面反應(yīng),反應(yīng)層厚度約為2μm。界面反應(yīng)層中存在明顯地O和Cr元素?cái)U(kuò)散,界面處可能生成了Cr-O-Al三元化合物,對提高陶瓷膜的結(jié)合力起到很大的作用。陶瓷與Cr金屬界面反應(yīng)處存在κ-Al2O3和Al1.98Cr0.02O3等相。κ-Al2O3為不穩(wěn)定相具有非常高的化學(xué)反應(yīng)活性,很容易滿足Cr2O3與κ-Al2O3的固溶反應(yīng)條件而生成Al1.98Cr0.02O3相,實(shí)現(xiàn)陶瓷與Cr金屬的元素?cái)U(kuò)散反應(yīng)。復(fù)相陶瓷膜的納米彈性模量和硬度分別為265±3GPa和21±1GPa。隨著水汽輔助燒結(jié)溫度的升高,復(fù)相陶瓷膜熱導(dǎo)率先升高后下降。經(jīng)1060oC/1h所燒結(jié)制備的復(fù)相陶瓷膜的熱導(dǎo)率最大,達(dá)到41.2 W(m·K)-1。電氣絕緣性能是復(fù)相陶瓷絕緣金屬基板的一大主要性能。隨著測試電壓升高,陶瓷膜的絕緣電阻開始下降。當(dāng)測試電壓600V時,復(fù)相陶瓷絕緣金屬基板的絕緣電阻為4.85×1012Ω。在相同測試電壓下,隨著測試溫度的升高,絕緣電阻同樣明顯地降低。對樣品施加直流電壓600V,在室溫、100 o C、150 o C和200 o C環(huán)境下所測試的絕緣電阻分別為4.85×1012Ω、1.97×1011Ω、2.56×1010Ω和2.74×109Ω。隨著測試環(huán)境溫度的升高,直流擊穿電壓同樣降低;由室溫下的3100V降到200oC下的1890V。樣品的工頻交流擊穿電壓比直流擊穿電壓低很多。室溫三種不同測試頻率10KHz、100KHz和1MHz下所測試得到的相對介電常數(shù)分別為2.39、2.12和2.00。相對介電常數(shù)隨著測試頻率升高而降低。在測試頻率10KHz和100KHz下,介質(zhì)損耗因數(shù)在測試溫度區(qū)間內(nèi)均隨著環(huán)境溫度的升高,先升高后下降,中間出現(xiàn)最大值分別為0.62和0.60。采用復(fù)相陶瓷絕緣金屬基板為半橋功率模塊絕緣基板,實(shí)現(xiàn)IGBT半橋功率模塊封裝與測試。由芯片到W80Cu20基板的熱阻為0.8W/K,其值相對采用氧化鋁DBC基板所制備的半橋模塊的封裝熱阻降低了20%。說明采用陶瓷膜絕緣金屬基板所得到的半橋模塊具有更好的散熱效果。復(fù)相陶瓷絕緣金屬基板有望在功率組件封裝領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
[Abstract]:A composite ceramic film made of aluminum nitride , aluminum oxide and mullite is prepared from aluminum nitride , aluminum oxide and mullite through water vapor assisted sintering process . The insulation resistance of the ceramic membrane is reduced . When the test voltage is 600 V , the insulation resistance of the insulated metal substrate of the multiphase ceramic is 4.85 脳 1012 惟 . Under the same test voltage , the insulation resistance decreases as the test temperature rises . The relative dielectric constant of the samples is 2.39 , 2.12 and 2.00 , respectively .
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB306

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本文編號：2079901