一种新的绝缘金属化陶瓷基板（IMB），具有增强的隔离特性和导热性

本文主要介绍了一种具有高导热性和绝缘性的增强型模块绝缘技术IMB，及其在IGBT模块和IPM中的应用。通过优化粉末颗粒和树脂材料，新型IMB与传统IMB相比，将绝缘树脂层的导热率提高了约50%。厚度优化实现了耐热性和绝缘能力的最佳平衡。这是第一个针对1700V模块的IMB解决方案，要求高散热和绝缘。它也适用于IPM应用，我们已经成功确认了适用于这些应用的新型IMB的耐热性和绝缘能力。

在电力电子中功率器件负责功率转换，用于电机控制、风力发电和UPS等各种应用。近年来，针对系统空间和轻量化的要求，功率模块小型化的研究不断取得进展。由于小型化时功率模块的芯片电流密度增加，因此需要提高模块的散热。此外，由于功率器件的工作电压很高，因此负责散热和绝缘的绝缘结构起着重要作用。

为了满足上述要求，引入了IMB。如果将这种传统的IMB应用于高压1700V模块，由于需要增加绝缘树脂层的厚度，热阻变得太大。因此，我们需要开发一种同时具有高导热和绝缘能力的新型IMB，并将其应用于第7代1700V IGBT模块和IPM。

一种新的绝缘金属化陶瓷基板（IMB），具有增强的隔离特性和导热性

具有高导热和绝缘性能的新型IMB

传统IMB的优缺点

一般而言，AI2O3陶瓷基板多用于功率模块的绝缘结构。我们采用了具有高热导率的氮化铝（AIN）基板，其热阻比氧化铝（AI2O3）基板小35%。然而，很难提高陶瓷的热导率。此外，陶瓷和金属之间的表面应力是由于这些材料之间的CTE（热膨胀系数）不匹配而产生的。因此，具有更好耐热性的较薄陶瓷可能会在热分布中受到损坏。

另一方面，IMB结构具有陶瓷基板所不具备的优点。当IMB的绝缘树脂层的CTE设计成与金属的CTE时，CTE不匹配引起的应力就会降低。因此，绝缘树脂层的厚度可以比陶瓷基板的厚度薄，而金属层的厚度可以更厚。由于厚金属层可以替代基板，因此可以消除基板下方的焊料层。因此，可以提高热阻和热循环能力。此外，由于绝缘树脂层具有柔韧性，IMB尺寸可以比陶瓷基板更大。

一种新的绝缘金属化陶瓷基板（IMB），具有增强的隔离特性和导热性

但是，IMB的热传导路径依赖于陶瓷颗粒在绝缘树脂层中的接触，与陶瓷基板相比，热导率相对较低。为了将IMB应用于1700V模块所需的高绝缘电压，绝缘树脂层的厚度要大于1200V模块的厚度。因此，需要提高绝缘树脂层的导热性，降低模块的热阻。

IMB属性的提升

要实现导热性的提高，需要增加导热通路的面积，即陶瓷颗粒的比例或者提高树脂的导热性。特别是由于树脂量在增加颗粒量时会收缩，因此去除空隙所需的压力会因流动性降低而增加。如果粉体体积浓度超过临界粉体体积浓度，由于颗粒间会留下空隙，导致介电击穿电压和热导率下降。因此，优化了粉末颗粒和树脂的材料以及粉末尺寸的分布，以减少空隙并在片材成型时保持高流动性和压力。

因此，图2显示了绝缘树脂层的热阻测量结果取决于IMB的厚度。与传统的IMB相比，该层的热阻提高了约35%，这意味着该层的热导率提高了50%。新IMB的局部放电起始电压 (PDIV)显示出与传统IMB几乎相同的厚度依赖性。因此，已证实所提出的IMB在提高热导率的同时具有等效的PDIV特性。

一种新的绝缘金属化陶瓷基板（IMB），具有增强的隔离特性和导热性

绝缘层厚度图2提出的和传统的IMB 3-7代1700V-IGBT模块和IPM与提出的IMB的绝缘树脂层的热阻测量结果如上所述，提出的IMB具有优异的热阻和绝缘性能，因此可以应用于传统IMB无法实现的应用。1700V IGBT模块需要至少4000V的高隔离电压。因此，第7代 1700V IGBT模块的新型IMB的隔离层厚度应增加以满足所需的隔离电压。通过新IMB的增强特性，可以在满足隔离电压要求的同时具有与传统IMB等效的热阻。

另一方面，针对额定电压为 650-1200V 的IPM的新IMB以另一种方式进行了优化。由于IPM经常在伺服放大器中的锁定模式操作等硬操作条件下使用，因此强烈要求IPM封装具有高散热特性。因此，第7代IPM的新IMB专为低热阻而设计。表2显示了建议的和传统的IMB特性的总结。经评估证实，新型IMB在1700V的热阻比传统IMB提高了约5%，仿真结果显示，650-1200V的新型IMB比传统IMB提高了20%。图3显示了所提出的 1700V-IGBT 模块和 IPM 的概要结构。

一种新的绝缘金属化陶瓷基板（IMB），具有增强的隔离特性和导热性

此外，通过引入具有优化特性的第7代IGBT和阴极松弛场（RFC）-平面阳极二极管[2,4]，降低了模块本身的损耗。与传统的1700V模块相比，RFC二极管抑制了快速关断行为。因此，第7代芯片和建议的IMB结构的组合使我们能够增加模块的电流密度。这意味着这种组合可以使IGBT模块和IPM的尺寸更小。如图3所示，与传统陶瓷结构相比，1700V-IGBT 的尺寸减小了49%，IPM的尺寸减小了55%。通过将新型IMB 与名为 SoLid Cover技术(SLC)的树脂封装工艺相结合如图4所示，由于引线键合应力受到抑制，功率循环寿命得以延长。此外，由于IMB结构，新型IMB的热循环能力优于陶瓷基板。可以看出，所提出的IMB非常适合各自的应用。

一种新的绝缘金属化陶瓷基板（IMB），具有增强的隔离特性和导热性

以上就是所介绍一种新的IMB金属化陶瓷基板，它在保持绝缘性能的同时实现了高导热性。它是通过对IMB绝缘树脂层的优化来实现的，即增加陶瓷颗粒的比例，优化粉末颗粒和树脂材料，其尺寸分布和片材成型的压力。结果，绝缘树脂层的热导率与传统的IMB相比提高了大约50%。

因此，我们能够将其适配到要求更高绝缘电压的第7代1700V IGBT模块和对低热阻有强烈要求的IPM上。它不仅有助于满足此类应用的要求，而且与第7代相结合，有助于将模块尺寸减小55% IGBT和二极管。此外，通过将新的IMB与树脂封装相结合，实现了高可靠性。所提出的 IMB 可广泛用于功率模块，并有助于电力电子的发展。