铝基板及导热界面材料使用说明

7/35热量是LED和其它硅类半导体的昀大威胁。随着电子工业的飞速发展，电子产品的体积尺寸越来越小，功率密度越来越大，解决散热问题是对电子工业设计的一个巨大的挑战。铝基板无疑是解决散热问题的有效手段之一。与传统的FR-4相比，铝基板能够将热阻降至昀低，使基板具有极好的热传导性能；与厚膜陶瓷电路相比，它的机械性能又极为优良。此外，铝基板还有如下独特的优势：z符合RoHs要求；z在电路设计方案中对热扩散进行极为有效的处理；z降低模块运行温度，延长使用寿命，提高功率密度和可靠性；z减少散热器和其它硬件的装配（包括热界面材料），缩小模块体积，降低硬件及装配成本；z取代易碎的陶瓷基板，获得更好的机械耐久力。铝基板介绍8/35铝基板是一种有良好散热功能的覆铜板，它由独特的三层结构所组成，分别是电路层、导热绝缘层和金属基层。铝基板的工作原理是：功率器件表面贴装在电路层，器件所产生的热量通过绝缘层传导到金属基层，然后由金属基板扩散到模块外部，实现对器件的散热。„线路层线路层（一般采用电解铜箔，即ED铜）用于实现器件的装配和连接。与传统的FR-4相比，采用相同的线宽和相同的厚度，铝基板能够承载更高的电流。这是因为铜箔线路所产生的P=I2R的热损耗能被铝基板更快扩散出去。铜箔的厚度能够影响铝基板的热传导能力，增加铜箔厚度，能够提高铝基板的热传导能力。北京瑞凯可供应的铝基板铜箔的厚度一般为1~4OZ(35µm~140µm)。贝格斯ThermalClad可供应的铜箔的厚度一般为1~10OZ(35µm~350µm)。铝基板介绍MCPCB导线宽度计算公式WC=S212SRISESS2STTTKRIT−+WC=导线宽度(单位m)TS=绝缘层厚度(单位m)I=电流(单位A)RS=C8TmΩ101.78•×−TC=铜箔厚度(单位m)KS=铝基板绝缘层导热系数(单位W/m-K)TRISE=允许的温升(单位K)9/35„绝缘层衡量一款铝基板是不是真正拥有高导热性能，高绝缘性能，是不是真正属于高品质的产品，其核心在于高导热绝缘层的技术。目前国际上高品质铝基板的绝缘层都是由高导热、高绝缘的陶瓷介质填充的特殊聚合物所构成。聚合物保障了绝缘性能，抗热老化能力以及高粘接能力。而陶瓷填充物则极大增强了导热性能和绝缘性能。该绝缘层不仅具有很高的绝缘强度，极低的热阻，能够承受长期热老化的考验，粘接能力优异，而且具备良好的粘弹性，能够抵抗器件焊接和运行时所产生的机械及热应力。铝基板热阻是决定模块功率密度唯一的要素。铝基板热阻越小，有利于器件运行时所产生热量的扩散，这样半导体的结温就越低，模块的运行温度就低。因此，使用低热阻高导热性的铝基板可以提高模块的功率负荷，减小模块体积，延长使用寿命，提高功率输出。铝基板绝缘层的厚度与热阻和绝缘强度成正比。铝基板绝缘层厚度加大，热阻就会增大，热传导能力降低，绝缘强度则相应提高；铝基板绝缘层厚度减薄，热阻相应减小，热传导能力增强，但绝缘强度相应降低。因此，功率模块使用什么厚度的绝缘层，首先取决于模块绝缘强度的需求。铝基板介绍铜箔添加陶瓷填充物的高导热绝缘层金属基板10/35贝格斯ThermalCladHT系列，MP系列以及HRT30.20绝缘层都是聚合物与陶瓷的混合物所构成，不仅导热性能优异，而且电绝缘强度都很高，尽管ThermalClad的绝缘层厚度只有3mil（76μm），但导热系数高达1.3W/m-K~2.2W/m-K，其绝缘强度昀低仍可达6KVAC以上，在业界备受推崇。贝格斯ThermalCladHT系列已获得140℃的UL全性能认证，MP系列和HRT30.20获得130℃的UL全性能认证。北京瑞凯铝基板使用了贝格斯高品质绝缘层，具有优异的热传导性和良好的电气绝缘强度。其中LED-0602导热系数1.1W/m-K，击穿电压5KVAC；Power-LED导热系数1.3W/m-K，击穿电压5KVAC；IMS-H01导热系数1.1W/m-K，击穿电压6KVAC，已获得业界至为严苛的130℃的UL全性能认证，可以保障模块在130℃长期运行。非常适合于模块的高功率密度需求和苛刻的环境工作温度，且具有非常出众的性价比，多年来为GE，PHILIPS，ERICSSON等多家国际知名公司批量供货，长期实践证明，其性能卓越，可靠性稳定。铝基板介绍11/35然而目前国内市场上大多数的铝基板绝缘层采用了商品化FR-4半固化片，这类绝缘层全部由环氧树脂所构成，虽然这类绝缘层具有良好的粘接性能，但因为没有添加高导热、高绝缘陶瓷填充物，这类铝基板的热阻很大（导热系数只有0.3W/m-K），如果使用这种铝基板，高功率密度模块所产生的热量很难传导到金属基板，这样热累积就会加速功率模块老化并昀终导致模块失效。并且这类铝基板绝缘强度有限（≤2KVAC），很难满足安规测试的需求，只能应用于低功率密度场合，对于高功率密度模块而言，很难胜任，存在极大的隐患。目前市场上还有部分铝基板虽然添加了陶瓷填充物，但其陶瓷填充物的热传导能力不高且在绝缘层中所占比例有限，很难保证其在绝缘层中均匀分布，这对高功率密度模块来说也同样存在很大的风险。铝基板介绍12/35贝格斯在每款新产品投放市场以前，都会进行为期12～18个月的各种认证测试。贝格斯全面的质量验证包括机械性能、粘接强度、电绝缘性能和热传导性能的测试。为了验证长期使用的可靠性，一般都选择为期2000小时的测试周期。主要有：在-40℃～150℃范围内，进行为时350小时的500次循环；在175℃下，进行2000小时的热老化测试；300℃下1分钟以及200℃下72小时的热冲击测试。正是这些苛刻的验证测试，确保贝格斯铝基板ThermalClad在业界的至上地位。贝格斯绝缘层长期热老化测试流程13/35铝基板目前尚没有相关的国际标准，其电绝缘性能和机械性能的测试主要比照FR-4所采用的IPC（美国电子电路互连和封装协会）和ASTM（美国材料与试验协会）标准，大家都一致认同。但铝基板的热性能参数的测试方法就显得比较混乱，这直接导致了目前各品牌铝基板热传导能力孰优孰劣争论。大家都比较认同TO-220测试法。即便如此，各自TO-220测试法的操作规范有很大的差异，必然带来热阻测试结果的很大的差别。各自的测试结果，与其它公司的测试结果没有可比性。因此，只有采用同等测试条件和方式，热阻的测试值才有可比性。作为铝基板领域的世界领导者，贝格斯铝基板的测试方法为TO-220RD2018普遍为业界所认同，从以下分析可以看到，该方法更为严谨、科学。贝格斯TO-220RD2018热阻测试方法的控制重点包括：z热电偶的位置对热阻值有重大影响z必须确保从芯片到散热器昀短的传热路径z使用IRF-840晶体管，TO-220封装，功率40Wz试样铝基板的尺寸为1″×1″，保留铜箔面积尺寸1/2”×3/4”z晶体管铜基座通过回流焊与铝基板铜箔面连接z铝基板金属基层通过导热膏与散热器连接z铜箔的厚度z铝板的厚度z施加的压力z热阻计算公式：θC-S=晶体管功率STCT−(℃/W)铝基板热阻测试说明金属基层热电偶（TS）热电偶（TC）绝缘层TO-220引线14/35事实上，有的厂家的测试方法为了减少测试试样的加工难度，往往将TC测试点选择晶体管铜基座甚至晶体管引线，这样就不能确保从芯片到散热器昀短的传热路径，而TC值的测试结果就远小于实际值，测量热阻值就比实际小很多。下表是一组对比测试数据，从中可以看出，假设其他条件与贝格斯TO-220RD2018完全一样，仅仅是TC测试点不同，其测试热阻值只有实际热阻值的65%。事实上，取样尺寸，试样保留铜箔的大小，铜箔的厚度等条件都会给测试值带来非常大的影响。Tc测量点TcTsPower（功率）θC-S（热阻）芯片正下方中部60℃37℃10W2.3/W℃晶体管基座表面53℃37℃10W1.6/W℃集电极引线52℃37℃10W1.5/W℃铝基板热阻测试说明15/35„金属基层绝缘金属基板采用何种金属，主要取决于热膨胀系数，热传导能力，强度，硬度，重量，表面状态和成本。绝大部分的金属基板都采用了铝板作为金属基层。选用铝材的种类，主要依据机械加工工艺和成本的考量。¾6061T6是Al-Mg-Si合金，中等强度，有比较良好的切削性能，特别适合CNC，V-CUT加工，但价格昂贵。¾5052H34是Al-Mg合金，中等强度，具有良好的折弯性能，适应于模具（Punch）冲切成型价格适中。¾1050H18和1060H18是纯铝，导热性能优良，机械加工性能适中，价格低廉。¾C11000是纯铜，1/4~1/2硬度的纯铜昀为适合，适合于模具（Punch）冲切成型，但对于机械加工来说有些困难。选择C11000的理由，常常首要的考虑是为了降低模块装配时的机械热应力。其次，铜的热传导能力强，是解决高功率模块散热问题的一个重要的选择。但是，价格非常昂贵。金属/合金导热系数［W/m·K］热膨胀系数［ppm/K］密度［g/cm3］弹性模量［GPa］屈服强度［MPa］C11000铜400178.944.13105052铝150252.725.92156061铝150252.7262301060铝20323.52.725.8210304不锈钢16167.9200824冷轧钢50137.9200330铝基板介绍16/35产品型号绝缘层厚度1［mil/µm］热阻2［℃/W］热阻3［℃in2/W］导热系数4［W/m-K］击穿电压5［KVAC］介电常数6剥离强度7［N/cm］玻璃化转变温度8［℃］UL温度指数9［℃］燃烧等级10IMS-H016/1501.10.211.16.07229013094V-0Power-LED3/760.850.131.15.07189013094V-0LED-06026/1500.950.211.15.07209013094V-0测试方法说明：1–ASTMD3746–ASTMD1502-BergquistTO-220testRD20187-ASTMD28613-依据ASTM5470计算8–IPC-TM-6504–ASTM54708-UL746E9–UL746E5–ASTMD1499-IPC-TM-65010–UL746E北京瑞凯铝基板性能指标17/35热性能绝缘性能其它性能产品型号绝缘层厚度1［mil/µm］热阻2［℃/W］热阻3［℃in2/W］导热系数4［W/m-K］击穿电压5［KVAC］ProofTest6［VDC］介电常数7玻璃化转变温度8［℃］长期使用温度9［℃］剥离强度10［lb/in］HT-045033/760.450.052.26.015007150140/1408HT-070066/1500.700.072.211.025007150140/1408MP-065033/760.650.091.38.51500690130/1409HRT30.203/760.900.150.87.51500790130/1309测试方法说明：1–Optical6-500V/secramp,5sechold2-BergquistTO-220testRD20187-ASTMD1503-依据ASTM5470计算8-BergquistMDSCtestRD20144-ASTM54709-UL746E5-ASTMD14910–ASTMD2861贝格斯T-Clad性能指标18/35结构层Layer所用材料MaterialUsed材料厚度MaterialThickness铝基板型号Type标准尺寸StandardDimensionLED-0602Power-LED线路层CircuitLayer铜箔Copperfoil1oz(35µm)20z(70µm)3oz(105µm)4oz(140µm)IMS-H01陶瓷填充的特殊聚合物Specialpolymerfilledinceramics6mil/150µmLED-0602陶瓷填充的特殊聚合物Specialpolymerfilledinceramics3mil/76µmPower-LED绝缘层Dielect