為評估國產環(huán)氧灌封膠在絕緣柵雙極晶體管（IGBT）功率模塊封裝中的應用情況，選取了兩種國產環(huán)氧灌封膠進行了綜合對比：包括對兩種環(huán)氧灌封膠固化前黏度、比重和凝膠時間，固化后力學性能、熱性能、絕緣性能等的橫向對比。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。對比測試結果表明：兩種環(huán)氧灌封膠不同的增韌機理、混合比例、固化溫度、機械強度和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模塊封裝應用的重要參數。
功率半導體模塊主要應用于電能轉換和電能 控制，是電能轉換與電能控制的關鍵器件，被譽為 電能處理的“CPU”，是節(jié)能減排的基礎器件和核心技術之一，被廣泛應用在先進軌道交通、輸配電、電動汽車、新能源、智能家電以及軍工等領域[1] 。功率 模塊封裝技術是集材料性能研究和應用研究于一 體的綜合性學科，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 有機材料和無機材料，其中無機封裝材料如玻璃、水凝膠陶瓷等由于燒結溫度過高或熱膨脹系數 （CTE）匹配度的問題導致應用較少[4] ；而有機封裝 材料主要是有機硅、環(huán)氧樹脂和聚酰亞胺等高分子 材料，在功率模塊中應用范圍較廣，相關的研究報道也相對較多[5] 。
絕緣柵雙極晶體管（IGBT）具有易驅動、控制速 度快、導通電壓低、通態(tài)電流大、尺寸小等優(yōu)點，是 一種重要的功率半導體器件[6] 。IGBT 模塊按封裝 形式的不同可分為壓接式和焊接式。壓接式采用的有機材料較少，本文不討論；焊接式主要采用的 是有機硅凝膠和環(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 模塊在溫度沖擊實驗后易 開裂、脫離和形變，導致封裝失效，因此環(huán)氧灌封膠 在IGBT模塊封裝中的應用研究需要重點關注。本文對兩種國產 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行對比測試，并結合材料的基本性能研究兩種環(huán)氧灌封膠在模塊 中的應用情況，為國產環(huán)氧灌封膠在 IGBT模塊中 的應用提供一定的參考。
1、實 驗
1.1 原材料及使用工藝
選取兩種國產環(huán)氧灌封膠作為研究對象，分別 標記為1#環(huán)氧灌封膠和2#環(huán)氧灌封膠，兩種環(huán)氧灌封膠的關鍵參數見表1。
參數 | 1# | 2# | ||
組分 | A組分 | B組分 | A組分 | B組分 |
外觀 | 黑色黏稠液體 | 黃色黏稠液體 | 黑色黏稠液體 | 淺黃色黏稠液體 |
密度23℃/(g/cm3) | 1.71 | 1.71 | 1.82 | 1.16 |
黏度25℃/(mPa.s) | 27231 | 28352 | 325235 | 46 |
質量混合比 | 1:1 | 4:1 | ||
混合物參數25℃/(mPa.s) | 27950 | 5500 | ||
凝膠時間(100g/125℃)/min | 17 | 34 | ||
將1#環(huán)氧灌封膠A組分與B組分按質量比為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型黏度計進行測試，測試標準為 GB/T 10247— 2008；體積電阻率采用日本HIOKI公司SM7120型高阻計進行測試，測試標準為 GB/T 1410—2006；電氣強度采用桂林電器科學研究院有限公司ZHT-10/ 50型電氣擊穿測試儀進行測試，測試標準為GB/T 1408.1—2006；力 學性能采用德國ZWICK公司Z010型萬能拉力機進行測試 ，測試標準為 GB/T 2567—2008；導熱系數采用湘潭湘儀儀器有限公司DRPL-II型導熱測試儀進行測試，測試標準為 GB/T 10295—2008；熱失重分析采用梅特勒TGA1（SF）型 熱重分析儀進行測試，空氣氛圍，溫度從25℃升溫 到 700℃，升溫速率為 5℃/min；玻璃化轉變溫度采 用梅特勒 DSC1 型差示掃描量熱儀進行測試，測試 標準為 GB/T 19466.2—2004；熱膨脹系數采用美國 TA公司TMA Q400型熱機械分析儀進行測試，測試 標準為GB/T 36800.2—2018；阻燃性采用江都市天璨 試驗機械廠CZF-5型水平垂直燃燒測試儀進行測試， 測試標準為GB/T 2408—2008，樣品厚度為6 mm。
2、 結果與討論
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參數，如表 1所示。表 1 中的參數決定了環(huán)氧灌封膠的使用工藝條件及對 灌膠設備的要求，也是環(huán)氧灌封膠選型中重要的技術工藝參數。
由于供應商對環(huán)氧灌封膠配方設計思路的差 異，兩種環(huán)氧灌封膠固化前特性差異較大。對表 1 數據對比分析可以發(fā)現，兩種膠的設計思路差別 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 膠設備等要求都會有所不同，需要結合存儲條件、 灌膠設備、現場工藝條件等實際情況考慮選用。
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模塊在運行過程中可能會遭受機械振 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，但固化后都體現出較好的機械強度、較低的吸水率和優(yōu)異的阻 燃性。其中1#環(huán)氧灌封膠的導熱系數明顯大于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。
項目 | 1# | 2# |
外觀 | 黑色堅硬固體 | 黑色堅硬固體 |
硬度(shored,25℃) | 90 | 88 |
拉伸強度/MPa | 45 | 41 |
斷裂伸長率/% | 2 | 3 |
彎曲強度/MPa | 32 | 45 |
彎曲模量/MPa | 6450 | 6220 |
吸水率(25℃,24h)/% | 0.21 | 0.24 |
導熱系數25℃/(W/(m.K) | 0.8 | 0.3 |
阻燃級別(UL94,6mm) | V-0 | V-0 |
2.2.2 環(huán)氧灌封膠的熱性能
熱（高溫）失效一直是導致IGBT失效的重要原因，因此對IGBT封裝材料的熱性能需要重點關注。首先對兩種環(huán)氧灌封膠的熱穩(wěn)定性進行測試，再對 其玻璃化轉變溫度（Tg）及 CTE值等熱性能進行討論，以期對環(huán)氧灌封膠在高溫條件下的封裝失效原 因進行分析。
環(huán)氧樹脂及固化劑的分子量、固化物的交聯密度以及填料含量都可能阻礙分子鏈段的運動，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，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，分別由增韌樹脂鏈段和環(huán)氧剛性鏈段的Tg引起。由 DSC測試數據可以推斷兩種環(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。采用熱機械分析法（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，環(huán)氧灌封膠CTE值都較??；溫度高于 Tg （Alpha 2區(qū)域），分子鏈段運動和鏈段本身的擴散導致膠的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構的改性酸酐；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劑。TMA測試結果 表明，由于1#環(huán)氧灌封膠中鄰甲基酚醛具有更大的 分子鏈結構，與含剛性分子結構的固化劑交聯后能 有效地阻礙主鏈的內旋運動，環(huán)氧柔性下降，而納 米結構的核殼增韌劑對環(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構較大的酚醛樹脂，但低羥基當量的酚醛樹脂使交聯點減少，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構阻礙主鏈內旋運動，分子柔性較大，導致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 可能會進一步加劇樹脂內應力釋放和收縮，造成模 塊封裝失效。對比 TMA 與 DSC 測得的Tg發(fā)現 ，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、相對介電常數以及電氣強度等絕緣性能會對模塊可靠 性產生較明顯的影響。表3為兩種環(huán)氧灌封膠的絕 緣性能測試數據。
從表3中可以發(fā)現，兩種國產環(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 氣強度均大于 20 kV/mm，相比電痕化指數（CTI）均 超過 400，表明兩種國產環(huán)氧灌封膠都具有較好的絕緣特性。
項目 | 1# | 2# |
體積電阻率Ω | 3.4×1015 | 4.5×1015 |
表面電阻率 | 2.2×1012 | 4.2×1012 |
相對截電常數 | 3.5 | 3.6 |
電氣強度、（Kv/mm） | 23 | 21 |
相比電痕化指數 | ≥400 | ≥400 |
2.3 環(huán)氧灌封膠在IGBT模塊封裝中的應用
為分析兩種環(huán)氧灌封膠在 IGBT模塊上的應用 情況，分別對 1# 和 2# 環(huán)氧灌封膠進行了灌封實驗。圖4為兩種環(huán)氧灌封膠灌封前后的IGBT模塊照片。實驗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 備好的模塊中；③在低于 1 100 Pa 的負壓下快速脫 泡 5 min 后，泄壓恢復常壓，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行加熱固化后取出 模塊進行后續(xù)環(huán)境測試。
溫度變化所導致的環(huán)氧灌封膠體開裂、與外殼 的脫離或應力過大導致外殼開裂等問題會對封裝 結果有直接影響，因此環(huán)氧灌封膠的溫度性能對其 在IGBT模塊中的應用影響較大。
表 4 為經過高溫存儲、低溫存儲和溫度循環(huán)后 兩種環(huán)氧灌封膠在 IGBT 功率模塊中的應用情況。從表 4 可以發(fā)現，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)后并未出現膠開裂，膠體與 IGBT 塑料外殼之間也并未出現由于收 縮引起的縫隙和脫離現象，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)氧膠樹脂應用、填料種類及含量等方面進行調整和優(yōu)化。
編號 | 項目 | 條件 | 結果 |
1# | 高溫存儲 | 125℃/168h | 膠無裂痕且與外殼無縫隙和脫離 |
低溫存儲 | -40℃/168h | 膠無裂痕且與外殼無縫隙和脫離 | |
溫度循環(huán) | -40℃~125℃,每個極限值2h,轉移時間＜30s,100次循環(huán) | 膠無裂痕且與外殼無縫隙和脫離 | |
2# | 高溫存儲 | 125℃/168h | 膠無裂痕且與外殼無縫隙和脫離 |
低溫存儲 | -40℃/168h | 膠體與外殼脫離 | |
溫度循環(huán) | -40℃~125℃,每個極限值2h,轉移時間＜30s,100次循環(huán) | 膠體與外殼脫離 |
3、 結 論
對兩種國產環(huán)氧灌封膠進行了對比分析，發(fā)現 1# 和 2# 環(huán)氧灌封膠的混合比例、固化溫度、機械強 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模塊封裝應用的最重要參 數。此外，對于環(huán)氧灌封膠在 IGBT 模塊上的驗證 過程需要對材料性能、應用工藝以及后期的灌封驗 證綜合考慮，周期較長，如何建立高效的選擇機制 和打造高可靠性的實驗驗證平臺將是需要面臨解 決的關鍵問題。
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本文作者：曾亮;何勇;劉亮;戴小平
