智能功率模塊中絕緣鋁基板可靠性提升設計研究

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封裝本質上就是將傳統分立器件與控制處理芯片集成在同一塊載板上進行封裝，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。 傳統框架主要采用銅材質，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的缺點限制了發展。 相比之下，DBC 和IMS 結構滿足高導熱、高電絕緣、高機械強度、低膨脹等特性，同時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計4 個方面對鋁基板出現的可靠性問題進行闡述和分析。

2 絕緣層失效分析

雖然DBC 基板在導熱性上表現更優， 但其綜合制作成本遠高于IMS 基板，且基板厚度較大，所以在中小功率IPM 產品設計上，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 基板的數據對比如表1 所示。 數據對比結果如下：

1)DBC 基板的導熱系數約為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（常規工作溫度）。

鋁基板構造如圖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。 以常用的環氧樹脂塑封功率模塊為介紹對象，在實際生產中，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力的直接來源。 通過多年來的技術經驗積累，框架和模具的設計已經趨于成熟，可以將外應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部結合力最“ 脆弱”時，看似不起眼的外應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 鋁基板結構示意圖

鋁基板絕緣層是以環氧樹脂為基礎、特種陶瓷作為填充料構成的，具有熱阻小、粘彈性能優良、抗熱老化以及承受機械力和熱應力的特點。 在功率模塊生產過程中，回流焊最高溫區可達280 ℃，塑封模具的溫度一般控制在170～180 ℃，在這種高溫差的生產環境下，絕緣層的可靠性受到極大挑戰。 隨著溫度的不斷升高，絕緣層的熱膨脹系數不斷上升，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，其內應力不斷變大。 與此同時，由于溫度升高導致絕緣層硬度的降低，外應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力都有導致介層分層和絕緣層撕裂的風險。

如表2 所示，H1 與H2 兩組均為高Tg樣品， 在高溫生產環境下性能大幅度優于低Tg樣品，并且擁有更高的相對溫度指數，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， 雖然導熱系數有所提高，但是絕緣層厚度較大，整體散熱性能較差，需要輔配更優的散熱方案。 在白色家電領域，高壓性能需求等級并不是特別高，但是對于絕緣層在生產和應用過程中受應力會產生失效風險的情況必須杜絕。

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。 實際生產中，鋁層主要需要滿足如下兩個特點：

表2 新產品和現有產品的一般特性

1) 與絕緣層和包封材料（環氧樹脂為主）達成良好接觸。

2) 針對基板外露產品，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

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

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

2) 提高鋁層的耐磨性， 解決鋁金屬質地較軟、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表面處理的化學涂層提供良好吸附能力。

雖然陽極氧化表面處理技術已經十分成熟，但仍有如下幾個無法徹底解決的問題：

1) 陽極氧化工藝流程復雜，且形成的氧化膜表面存在大量孔洞，雖然有助于吸附后續表面處理的化學涂層，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行封孔操作，這兩個問題導致此種鋁板處理方式耗時較長；

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，處理回收不當會引起環境污染問題。

3.2 微弧氧化表面處理技術

近年來，為了解決陽極氧化表面處理技術帶來的諸多問題， 很多企業開始使用微弧氧化表面處理技術。 將鋁金屬放置在弱堿性溶液中并施以高壓，使得鋁材表面產生等離子放電效應，在瞬間高溫的環境下形成一層與鋁材有冶金結合的均勻的絕緣氧化陶瓷膜層[1]。 因為這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合的膜層。 微弧氧化陶瓷膜層厚度可達300 μm，最高顯微硬度可達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結合的絕緣層之間的接觸面積越大，結合效果越理想（微米級孔徑對結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，遠大于陽極氧化膜層的平均推力（12 kg），并且隨著制備時電流密度的調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，從多方面提升了鋁基層的性能，有效增強了鋁材與絕緣層的結合力，對解決分層問題起到了關鍵作用。

4 絕緣層的處理方法

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

4.1 纖維增強復合材料

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

玻璃纖維是一種常見的無機非金屬高強度增強材料，一般為SiO2、CaO、Al2O3為主體的多種氧化物在高溫熔融狀態下拉伸冷卻而成，根據不同氧化物的配比，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， 同時具有優異的力學性能；S-玻璃纖維的拉伸強度和彈性模量高于E-玻璃纖維，同時還具有較好的抗疲勞性能，被用于制備高強度零件、火箭發動機殼體；C-玻璃纖維的耐酸堿性較強，被應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-玻璃纖維和粘結劑構成，因為采用平面黏貼方式，交叉部分較為疏松，所以對環氧樹脂和填充物的吸附能力較強，可以保證絕緣層內部填充均勻。 但由于玻璃纖維紙是一種剛性網狀結構，因此其脆性較大且整體厚度較大，所以逐漸被較為輕便、價格更低的玻璃纖維布取代。

4.1.2 玻璃纖維布

玻璃纖維布采用經緯編織的方式，將玻璃纖維紗編織成網狀結構，其纖維密度大于玻璃纖維紙，強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復合材料的首選。 但由于其編織密度過高， 環氧樹脂和填充料無法完全浸潤玻璃纖維布，導致其同一平面的特性出現差異，是現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對比如表4 所示。

表4 玻璃纖維性能參數[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絕緣層的機械強度，但由于環氧樹脂和玻璃纖維的導熱系數都不高， 所以需要添加無機填充料形成導熱網鏈結構，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散，但考慮到絕緣層的結構強度和造價成本，更多公司傾向于選用玻璃纖維布和無機填充物的組合。 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熱系數，為了保證盡量多地添加無機填充物，需要選用流動性較好的環氧樹脂做基材。

4.2.1 填充料添加量對熱導系數的影響

實驗采用玻璃纖維布結構和氧化鋁作為絕緣層填充物，隨著氧化鋁的添加量上升，鋁基板導熱率在不斷上升，當添加量超過某個界限值（與玻纖種類和填充物相關）后，鋁板導熱率就會下降，實驗結果如表5 所示。通過微觀觀察，發現絕緣層中會出現氣泡和環氧樹脂流動不暢等缺陷，導致鋁基板的電、熱、機械性能的降低。

表5 不同Al2O3 占比的玻璃纖維布鋁基板的熱導率

4.2.2 填充料的形狀對熱導系數的影響

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，熱導率更高，是鋁基板絕緣層填充料的首選。

5 布線層的合理設計

在保證絕緣層與鋁層和銅層接觸緊密的情況下，在正常生產和應用中， 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計對絕緣層撕裂現象是否有改善作用。

5.1 絕緣層撕裂原因分析

5.1.1 封裝過程中出現的外應力

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合在一起，通過前期研究，發現塑封過程是外力作用最明顯的生產環節。 根據常規的塑封模具設計，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合處，在復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 局部膨脹系數失配

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

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

5.2 布線層設計方案

在塑封模具力學設計最優的情況下，布線銅層的設計顯得尤為重要，核心觀念就是利用銅層和引線框架盡量多地消耗應力。 本文提出兩個已經通過工程實驗驗證有效的方案：

1) 布線層選用剛度較小的銅材并根據焊接引腳的大小適當擴展焊接銅層面積， 有利于減小應力產生。

2) 布線層設計時適當增加布線總長和彎曲程度，有利于釋放已經產生的應力。

6 結束語

在家電智能化的進程中，使用鋁基板生產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嚴格， 絕緣層的分層和撕裂問題必須得到解決。 在絕緣鋁基板設計和生產過程中，通過對鋁基進行微弧氧化表面處理，絕緣層添加增強型纖維和導熱填充料，以及選用剛度匹配的銅材并適當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固的前提下制作出導熱良好、耐高壓的絕緣鋁基板。