環(huán)氧灌封膠及在IGBT功率模塊封裝中的應(yīng)用簡析

摘 要：為評估國產(chǎn)環(huán)氧灌封膠在絕緣柵雙極晶體管（IGBT）功率模塊封裝中的應(yīng)用情況，選取了兩種國產(chǎn)環(huán)氧灌封膠進(jìn)行了綜合對比：包括對兩種環(huán)氧灌封膠固化前黏度、比重和凝膠時間，固化后力學(xué)性能、熱性能、絕緣性能等的橫向?qū)Ρ?。分析出兩種環(huán)氧灌封膠的差異，并利用其分別封裝了IGBT功率模塊，對所封裝的IGBT模塊進(jìn)行了高溫存儲、低溫存儲及溫度循環(huán)等環(huán)境測試。對比測試結(jié)果表明：兩種環(huán)氧灌封膠不同的增韌機(jī)理、混合比例、固化溫度、機(jī)械強(qiáng)度和Tg值對封裝存在一定影響，但CTE值是影響環(huán)氧灌封膠在IGBT模塊封裝應(yīng)用的重要參數(shù)。

0 引 言

功率半導(dǎo)體模塊主要應(yīng)用于電能轉(zhuǎn)換和電能 控制，是電能轉(zhuǎn)換與電能控制的關(guān)鍵器件，被譽(yù)為 電能處理的“CPU”，是節(jié)能減排的基礎(chǔ)器件和核心技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用在先進(jìn)軌道交通、輸配電、電動汽車、新能源、智能家電以及軍工等領(lǐng)域[1] 。功率 模塊封裝技術(shù)是集材料性能研究和應(yīng)用研究于一 體的綜合性學(xué)科，所涉封裝材料由于功率模塊的封 裝形式多樣而不同[2-3] 。從材料的種類可以劃分為 有機(jī)材料和無機(jī)材料，其中無機(jī)封裝材料如玻璃、水凝膠陶瓷等由于燒結(jié)溫度過高或熱膨脹系數(shù) （CTE）匹配度的問題導(dǎo)致應(yīng)用較少[4] ；而有機(jī)封裝 材料主要是有機(jī)硅、環(huán)氧樹脂和聚酰亞胺等高分子 材料，在功率模塊中應(yīng)用范圍較廣，相關(guān)的研究報(bào)道也相對較多[5] 。

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）具有易驅(qū)動、控制速 度快、導(dǎo)通電壓低、通態(tài)電流大、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，是 一種重要的功率半導(dǎo)體器件[6] 。IGBT 模塊按封裝 形式的不同可分為壓接式和焊接式。壓接式采用 的有機(jī)材料較少，本文不討論；焊接式主要采用的 是有機(jī)硅凝膠和環(huán)氧膠灌封，不僅能提高 IGBT 模 塊的絕緣能力，還能提升IGBT模塊的可靠性，延長 其使用壽命[7-10] 。環(huán)氧樹脂由于其良好的絕緣性和 工藝性而應(yīng)用廣泛，但環(huán)氧灌封膠固化收縮率較 大，且固化后CTE值相對芯片、襯板、綁定線等差異 較大，環(huán)氧灌封的IGBT 模塊在溫度沖擊實(shí)驗(yàn)后易 開裂、脫離和形變，導(dǎo)致封裝失效，因此環(huán)氧灌封膠 在IGBT模塊封裝中的應(yīng)用研究需要重點(diǎn)關(guān)注。本文對兩種國產(chǎn) IGBT模塊封裝用環(huán)氧灌封膠 的基本性能、熱性能和絕緣性能進(jìn)行對比測試，并結(jié)合材料的基本性能研究兩種環(huán)氧灌封膠在模塊 中的應(yīng)用情況，為國產(chǎn)環(huán)氧灌封膠在 IGBT模塊中 的應(yīng)用提供一定的參考。

實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料及使用工藝

選取兩種國產(chǎn)環(huán)氧灌封膠作為研究對象，分別 標(biāo)記為1#環(huán)氧灌封膠和2#環(huán)氧灌封膠，兩種環(huán)氧灌封膠的關(guān)鍵參數(shù)見表1。

將1#環(huán)氧灌封膠A組分與B組分按質(zhì)量比為1∶1 混合，混合均勻后真空脫泡備用。固化溫度按廠 家推薦方式采用階梯升溫固化：80℃/1h+125℃/2h+140℃/3 h。將2#環(huán)氧灌封膠A組分與B組分按質(zhì)量比為4∶1混合，混合均勻后真空脫泡備用。固化溫度按廠 家推薦方式加溫固化：120℃/10h。

1.2 測試儀器及方法

黏度采用上海高致精密儀器有限公司NDJ-5S型黏度計(jì)進(jìn)行測試，測試標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T 10247— 2008；體積電阻率采用日本HIOKI公司SM7120型高阻計(jì)進(jìn)行測試，測試標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T 1410—2006；電氣強(qiáng)度采用桂林電器科學(xué)研究院有限公司ZHT-10/ 50型電氣擊穿測試儀進(jìn)行測試，測試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1408.1—2006；力 學(xué)性能采用德國ZWICK公司Z010型萬能拉力機(jī)進(jìn)行測試 ，測試標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T 2567—2008；導(dǎo)熱系數(shù)采用湘潭湘儀儀器有限公司DRPL-II型導(dǎo)熱測試儀進(jìn)行測試，測試標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T 10295—2008；熱失重分析采用梅特勒TGA1（SF）型 熱重分析儀進(jìn)行測試，空氣氛圍，溫度從25℃升溫 到 700℃，升溫速率為 5℃/min；玻璃化轉(zhuǎn)變溫度采 用梅特勒 DSC1 型差示掃描量熱儀進(jìn)行測試，測試 標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T 19466.2—2004；熱膨脹系數(shù)采用美國 TA公司TMA Q400型熱機(jī)械分析儀進(jìn)行測試，測試 標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 36800.2—2018；阻燃性采用江都市天璨 試驗(yàn)機(jī)械廠CZF-5型水平垂直燃燒測試儀進(jìn)行測試， 測試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 2408—2008，樣品厚度為6 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)氧灌封膠固化前物理性能對比

環(huán)氧灌封膠固化前物理性能主要指膠的黏度、 密度、凝膠時間等基本技術(shù)參數(shù)，如表 1所示。表 1 中的參數(shù)決定了環(huán)氧灌封膠的使用工藝條件及對 灌膠設(shè)備的要求，也是環(huán)氧灌封膠選型中重要的技術(shù)工藝參數(shù)。

由于供應(yīng)商對環(huán)氧灌封膠配方設(shè)計(jì)思路的差 異，兩種環(huán)氧灌封膠固化前特性差異較大。對表 1 數(shù)據(jù)對比分析可以發(fā)現(xiàn)，兩種膠的設(shè)計(jì)思路差別 為：1# 為雙組分熱固化型環(huán)氧灌封膠，A、B組分密度 和黏度相差較小，采用質(zhì)量比為 1∶1的比例混合有 利于稱量和混合施膠。但該膠在常溫下混合黏度 較大，超過 20 000 mPa·s，室溫下難以完成模塊灌 封，需要將膠加熱至40～50℃以獲得更合適的操作 黏度和滲透性；2# 也為雙組分熱固化型環(huán)氧灌封膠， 但 A、B 組分密度和黏度相差大，采用質(zhì)量比為 4∶1 的比例混合。此外該環(huán)氧灌封膠在常溫下的混合 黏度為 5 540 mPa·s，具有較低操作黏度和滲透性， 可無需加熱直接完成模塊的灌封。但該膠 A 組分 填料含量高、黏度大，增加了填料沉降風(fēng)險，也不利 于 A、B 組分混合。綜上所述，1# 和 2# 環(huán)氧灌封膠固 化前性能差異較大，對于儲存條件、工藝條件及灌 膠設(shè)備等要求都會有所不同，需要結(jié)合存儲條件、 灌膠設(shè)備、現(xiàn)場工藝條件等實(shí)際情況考慮選用。

2.2 環(huán)氧灌封膠固化后物理性能

2.2.1 環(huán)氧灌封膠的基本性能

IGBT模塊在運(yùn)行過程中可能會遭受機(jī)械振動、沖擊和高潮濕等不利影響因素，要求環(huán)氧灌封膠具有較大的硬度、抗沖擊性、較低的吸水率以保證模塊的可靠性。兩種環(huán)氧灌封膠固化后的基本性能如表2所示。從表2可以看出，盡管兩種環(huán)氧灌封膠固化前后的基本性能差異較大，但固化后都體現(xiàn)出較好的機(jī)械強(qiáng)度、較低的吸水率和優(yōu)異的阻燃性。其中1#環(huán)氧灌封膠的導(dǎo)熱系數(shù)明顯大于2#環(huán)氧灌封膠，可能是所采用的填料種類及添加量的差異所致。

2.2.2 環(huán)氧灌封膠的熱性能

熱（高溫）失效一直是導(dǎo)致IGBT失效的重要原因，因此對IGBT封裝材料的熱性能需要重點(diǎn)關(guān)注。首先對兩種環(huán)氧灌封膠的熱穩(wěn)定性進(jìn)行測試，再對 其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）及 CTE值等熱性能進(jìn)行討論，以期對環(huán)氧灌封膠在高溫條件下的封裝失效原 因進(jìn)行分析。

環(huán)氧樹脂及固化劑的分子量、固化物的交聯(lián)密度以及填料含量都可能阻礙分子鏈段的運(yùn)動，從而對灌封膠的熱穩(wěn)定性造成一定的影響。圖1為兩種環(huán)氧灌封膠的熱失重分析（TGA）曲線。通過TGA曲線的起始分解溫度和不同溫度下的殘留率對比兩種環(huán)氧灌封膠的耐熱性能。從圖1可以看出，1# 和 2# 環(huán)氧灌封膠的填料含量分別約為50%和42%， 起始熱分解溫度分別為279.7℃和 298.5℃，2#環(huán)氧灌封膠具有較好的耐熱性。

兩種環(huán)氧灌封膠固化物的DSC 曲線如圖2所 示。樣品測試先從室溫開始，然后以20℃/min的速率升溫至200℃，再以20℃/min的速率降至室溫，最后以20℃/min的速率升溫至200℃。

從圖2可以看出，1#灌封膠的二次升溫曲線在122.4℃左右具有一個較為明顯的Tg點(diǎn)，而2#灌封膠的二次升溫曲線在77.5℃和115.7℃左右存在兩個Tg點(diǎn)，分別由增韌樹脂鏈段和環(huán)氧剛性鏈段的Tg引起。由 DSC測試數(shù)據(jù)可以推斷兩種環(huán)氧灌封膠采取的增韌方式不同。

CTE值是影響 IGBT功率模塊使用壽命和可靠 性的重要參數(shù)。采用熱機(jī)械分析法（TMA）測試兩種環(huán)氧灌封膠低于T（g Alpha 1 區(qū)域）和高于T（g Al‐pha 2 區(qū)域）的CTE值。Tg前后環(huán)氧灌封膠的CTE值差別較大，這是由于低于T（g Alpha 1區(qū)域）分子鏈段被凍結(jié)，環(huán)氧灌封膠CTE值都較小；溫度高于 Tg（Alpha 2區(qū)域），分子鏈段運(yùn)動和鏈段本身的擴(kuò)散導(dǎo)致膠的CTE值偏大。圖3為兩種環(huán)氧灌封膠的Tg以及Z軸方向的CTE值對比圖。

從圖 3(a)可以看出，TMA測得兩種環(huán)氧灌封膠的 Tg分別為 101.3℃和95.5℃，與DSC法測試結(jié)果并不相同；從圖 3(b)可以看出，1#環(huán)氧灌封膠的 CTE值要低于2#，說明1#環(huán)氧灌封膠的熱性能更為優(yōu)異。

兩種環(huán)氧膠灌封膠的技術(shù)資料顯示，1#環(huán)氧灌 封膠選用的樹脂類型為雙酚A型環(huán)氧樹脂、鄰甲酚 醛環(huán)氧樹脂、納米殼核增韌劑以及氧化鋁等，采用 的固化劑為含剛性分子結(jié)構(gòu)的改性酸酐；2#環(huán)氧灌 封膠樹脂類型為低黏度脂環(huán)族環(huán)氧樹脂、酚醛樹 脂、改性增韌劑、二氧化硅以及氧化鋁等，固化劑為 甲基六氫苯酐和一定量的促進(jìn)劑。TMA測試結(jié)果 表明，由于1#環(huán)氧灌封膠中鄰甲基酚醛具有更大的 分子鏈結(jié)構(gòu)，與含剛性分子結(jié)構(gòu)的固化劑交聯(lián)后能 有效地阻礙主鏈的內(nèi)旋運(yùn)動，環(huán)氧柔性下降，而納 米結(jié)構(gòu)的核殼增韌劑對環(huán)氧灌封膠的Tg影響較小。而2#環(huán)氧灌封膠雖然采用了分子鏈結(jié)構(gòu)較大的酚醛樹脂，但低羥基當(dāng)量的酚醛樹脂使交聯(lián)點(diǎn)減少，低 黏度脂環(huán)族環(huán)氧樹脂與甲基六氫苯酐固化后也無 法形成更大的分子結(jié)構(gòu)阻礙主鏈內(nèi)旋運(yùn)動，分子柔性較大，導(dǎo)致2# 環(huán)氧灌封膠的Tg較低。此外，低黏度 脂環(huán)族環(huán)氧樹脂雖然交聯(lián)密度較大，但其固化收縮 率較大，通過后期溫度沖擊或者低溫存儲測試，有 可能會進(jìn)一步加劇樹脂內(nèi)應(yīng)力釋放和收縮，造成模 塊封裝失效。對比 TMA 與 DSC 測得的Tg發(fā)現(xiàn) ，TMA不僅能得到環(huán)氧灌封膠的熱變形溫度，還能了 解環(huán)氧灌封膠在高溫狀態(tài)下的膨脹和變形情況，更直觀且更具有參考價值。

2.2.3 環(huán)氧灌封膠的絕緣性能

環(huán)氧灌封膠的體積電阻率、表面電阻率、相對介電常數(shù)以及電氣強(qiáng)度等絕緣性能會對模塊可靠性產(chǎn)生較明顯的影響。表3為兩種環(huán)氧灌封膠的絕緣性能測試數(shù)據(jù)。

從表3中可以發(fā)現(xiàn)，兩種國產(chǎn)環(huán)氧灌封膠的絕緣 性能差異較小，體積電阻率均超過了1×1015 Ω·cm，電 氣強(qiáng)度均大于 20 kV/mm，相比電痕化指數(shù)（CTI）均 超過 400，表明兩種國產(chǎn)環(huán)氧灌封膠都具有較好的絕緣特性。

2.3 環(huán)氧灌封膠在IGBT模塊封裝中的應(yīng)用

為分析兩種環(huán)氧灌封膠在 IGBT模塊上的應(yīng)用 情況，分別對 1# 和 2# 環(huán)氧灌封膠進(jìn)行了灌封實(shí)驗(yàn)。圖4為兩種環(huán)氧灌封膠灌封前后的IGBT模塊照片。實(shí)驗(yàn)選擇了尺寸比較有代表性的類似于 Econo PACK 封裝形式的模塊，環(huán)氧灌封膠的灌封尺寸約 為110.0 mm×57.5 mm×17.0 mm。

灌封具體工藝流程為：①將環(huán)氧灌封膠的 A 組 分和 B 組分分別在 60℃的環(huán)境中存放長 60 min 后 按比例混合均勻；②在低于 1 100 Pa 的負(fù)壓下對混 合后的環(huán)氧灌封膠快速脫泡 10 min 后緩慢倒入預(yù) 備好的模塊中；③在低于 1 100 Pa 的負(fù)壓下快速脫 泡 5 min 后，泄壓恢復(fù)常壓，再在低于 1 100 Pa 的真 空下快速脫泡，待模塊邊緣無明顯氣泡鼓出即可停 止；④按廠家推薦的固化條件進(jìn)行加熱固化后取出 模塊進(jìn)行后續(xù)環(huán)境測試。

溫度變化所導(dǎo)致的環(huán)氧灌封膠體開裂、與外殼 的脫離或應(yīng)力過大導(dǎo)致外殼開裂等問題會對封裝 結(jié)果有直接影響，因此環(huán)氧灌封膠的溫度性能對其 在IGBT模塊中的應(yīng)用影響較大。

經(jīng)過高溫存儲、低溫存儲和溫度循環(huán)后 兩種環(huán)氧灌封膠在 IGBT 功率模塊中的應(yīng)用情況。從表 4 可以發(fā)現(xiàn)，1# 環(huán)氧灌封膠所灌封的模塊在高溫存儲、低溫存儲以及溫度循環(huán)后并未出現(xiàn)膠開裂，膠體與 IGBT 塑料外殼之間也并未出現(xiàn)由于收 縮引起的縫隙和脫離現(xiàn)象，說明該環(huán)氧灌封膠能滿 足IGBT模塊的灌封要求；2# 環(huán)氧灌封膠能完全通過 高溫存儲測試，但由于 CTE 值偏大，模塊低溫存儲以及溫度循環(huán)后膠體與外殼間脫離，封裝失效，說 明 2# 環(huán)氧灌封膠在耐溫性能方面還存在缺陷，可能 還需在環(huán)氧膠樹脂應(yīng)用、填料種類及含量等方面進(jìn) 行調(diào)整和優(yōu)化。

3 結(jié) 論

對兩種國產(chǎn)環(huán)氧灌封膠進(jìn)行了對比分析，發(fā)現(xiàn) 1# 和 2# 環(huán)氧灌封膠的混合比例、固化溫度、機(jī)械強(qiáng) 度、Tg和CTE值并不相同。1# 環(huán)氧灌封膠完成IGBT 模塊灌封后模塊能順利通過高溫存儲、低溫存儲和溫度循環(huán)測試；由于 2#環(huán)氧灌封膠 CTE 值偏大，所灌封模塊只能通過高溫存儲測試，無法滿足 IGBT功率模塊的封裝使用要求。因此，CTE值的大小是影響環(huán)氧灌封膠在 IGBT模塊封裝應(yīng)用的最重要參數(shù)。此外，對于環(huán)氧灌封膠在 IGBT 模塊上的驗(yàn)證過程需要對材料性能、應(yīng)用工藝以及后期的灌封驗(yàn)證綜合考慮，周期較長，如何建立高效的選擇機(jī)制和打造高可靠性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺將是需要面臨解決的關(guān)鍵問題。

審核編輯：劉清