铝基板及导热界面材料使用说明

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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。
6 – ASTM D150 7 - ASTM D2861 8 – IPC-TM-650 9 – UL 746E 10 –UL 746E
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贝格斯 T-Clad 性能指标
热性能
产品型号
HT-04503 HT-07006 MP-06503 HR T30.20
绝缘层厚度 1 ［mil/µm］
热阻 2 ［℃/W］
MCPCB导线宽度计算公式
1
WC=

TSI2 R S K STRISE
+
TS2


2
− TS
WC = 导线宽度 (单位m)
TS = 绝缘层厚度(单位m)
I= 电流(单位A)
1.78 ×10−8 Ω • m
RS =
TC
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)
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
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。
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最短的传热 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-220 RD2018 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。
铝基板介绍
热量是 LED 和其它硅类半导体的最大威胁。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最低，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：
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-220 RD2018 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-220
RD2018 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最短的传热路径 z 使用IRF-840晶体管，TO-220 封装，功率40W z 试样铝基板的尺寸为 1″×1″，保留铜箔面积尺寸
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。
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贝格斯绝缘层长期热老化测试流程
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 Thermal Clad 在业界的至上地位。
17 25 25 23.5 16 13
密度［g/cm3］
8.9 2.7 2.7 2.7 7.9 7.9
弹性模量［GPa］
44.1 25.9 26 25.8 200 200
屈服强度［MPa］
310 215 230 210 824 330
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北京瑞凯铝基板性能指标
产品型号
绝缘层厚度 1 热阻 2 ［mil/µm］ ［℃/W］
¾ 6061T6 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。 ¾ 5052H34 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。 ¾ 1050H18 和 1060H18 是纯铝，导热性能优良，机械加工性能适中，价格低廉。 ¾ C11000 是纯铜， 1/4~1/2 硬度的纯铜最为适合，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
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。
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铝基板介绍
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。
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
C11000 铜 5052 铝 6061 铝 1060 铝 304 不锈钢 冷轧钢
导热系数［W/m·K］
400 150 150 203 16 50
热膨胀系数［ppm/K］
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铝基板介绍
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最终导致模块失效。并且这类铝基板绝缘强度有限（≤2KV AC），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。
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 Thermal Clad 可供应的铜箔的厚度一般为 1~10OZ(35µm~350µm)。
1.1
5.0
7
18
90
130
94V-0
LED-0602
6/150
0.95
0.21
1.1
5.0
7
20
90
130
94V-0
测试方法说明： 1 – ASTM D374 2 - Bergquist TO-220 test RD2018 3 - 依据 ASTM 5470 计算 4 – ASTM 54708 - UL 746E 5 – ASTM D149 9 - IPC-TM-650
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。
介电常数 7
7 7 6 7
玻璃化转变温度 8 长期使用温度 9 剥离强度 10
［℃］
［℃］
［lb/in］
150
140/140
8
150
140/140
8
90
130/140
9
90
130/130
9
测试方法说明： 1 – Optical 2 - Bergquist TO-220 test RD2018 3 - 依据 ASTM 5470 计算 4 - ASTM 5470 5 - ASTM D149
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铝基板热阻测试说明
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
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铝基板介绍
贝格斯 Thermal Clad HT 系列，MP 系列以及 HR T30.20 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 Thermal Clad 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，其绝缘强度最低仍可达 6KVAC 以上，在业界备受推崇。贝格斯 Thermal Clad HT 系列已获得 140℃的 UL 全性能认证，MP 系列和 HR T30.20 获得 130℃的 UL 全性能认证。
TO-220 引线
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
绝缘层 金属基层
热电偶（TC） 热电偶（TS）
z
热阻计算公式：θC-S=
TC − TS 晶体管功率
(℃/W)
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铝基板热阻测试说明
Tc 测量点 芯片正下方中部 晶体管基座表面
集电极引线
Tc 60℃ 53℃ 52℃
Ts 37℃ 37℃ 37℃
Power（功率） 10W 10W 10W
θC-S （热阻） 2.3℃ /W 1.6℃ /W 1.5℃ /W
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铝基板介绍
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。
热阻 3 ［℃in2/W］
3/76
0.45
பைடு நூலகம்
0.05
6/150
0.70
0.07
3/76
0.65
0.09
3/76
0.90
0.15
导热系数 4 ［W/m-K］
2.2 2.2 1.3 0.8
绝缘性能
其它性能
击穿电压 5 ［KVAC］
6.0 11.0 8.5 7.5
Proof Test6 ［VDC］
1500 2500 1500 1500
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 10
［℃］
［℃］
IMS-H01
6/150
1.1
0.21
1.1
6.0
7
22
90
130
94V-0
Power-LED
3/76
0.85
0.13