高功率半導體器件在現代電力電子系統中扮演著至關重要的角色,廣泛應用于新能源汽車、電力傳輸、工業控制、航空航天和通信設備等領域。然而,在高功率運行環境下,這些半導體器件會產生大量的熱量,如果不能有效散熱,可能導致性能下降、可靠性降低甚至器件失效。
因此,封裝材料的選擇尤為關鍵,需要兼具高導熱性、低熱膨脹系數(CTE)以及優良的機械性能。鉬銅(Mo-Cu)合金憑借其優異的熱管理能力、良好的熱匹配性能以及高穩定性,成為高功率半導體封裝的重要材料之一。
高功率半導體器件,如IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、MOSFET(金屬氧化物半導體場效應管)和SiC/GaN功率器件,在高壓、高頻、大電流環境下工作,其封裝材料需滿足以下核心要求:
1.高導熱性
由于半導體器件會產生大量熱量,封裝材料必須具備良好的導熱性,以便迅速將熱量傳導至散熱器,防止器件過熱。
2.匹配的熱膨脹系數(CTE)
半導體芯片(如硅Si、碳化硅SiC、氮化鎵GaN)的熱膨脹系數較低,封裝材料的CTE應與芯片相匹配,以減少熱應力,提高器件的可靠性。
3.高機械強度和穩定性
封裝材料需要承受長期的熱循環和機械應力,確保器件在各種極端環境下都能穩定運行。
4.良好的耐腐蝕性和電性能
封裝材料應具有良好的抗氧化性和耐腐蝕性,確保在高溫、高濕環境下長期使用,同時具備良好的電導率,減少能量損耗。
鉬銅合金在高功率半導體封裝中的主要應用部件包括:
1.散熱片(Heat Spreader)
在IGBT、MOSFET等功率器件封裝中,Mo-Cu合金作為散熱片材料,可以高效地將半導體芯片產生的熱量傳導至散熱系統,降低芯片溫度,提高器件的可靠性和效率。
2.基板(Substrate)
Mo-Cu基板可作為芯片與散熱片之間的熱緩沖層,能夠有效減少熱應力,提高器件的穩定性。特別是在SiC、GaN等新型半導體封裝中,Mo-Cu合金因其良好的熱匹配性成為理想的基板材料。
3.引線框架(Lead Frame)
Mo-Cu合金可用于IGBT、MOSFET的引線框架,提供機械支撐,同時優化導電性能,降低寄生電阻和功耗,提高電能轉換效率。
4.封裝殼體(Package Housing)
在高溫、高濕、高振動環境中,Mo-Cu合金可用于功率模塊的封裝殼體,提高結構強度和散熱能力。