環(huán)氧灌封膠及在IGBT功率模塊封裝中的應(yīng)用

曾 亮，何 勇，劉 亮，戴小平

（1.湖南國芯半導(dǎo)體科技有限公司，湖南 株洲 412001；2.湖南省功率半導(dǎo)體創(chuàng)新中心，湖南 株洲 412001）

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(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(yīng)用范圍較廣，相關(guān)的研究報道也相對較多[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，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(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模塊在溫度沖擊實驗后易開裂、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。

1 實驗

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。

表1 兩種環(huán)氧灌封膠的關(guān)鍵參數(shù)Tab.1 Key parameters of two epoxy potting adhesives

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℃/1 h+125℃/2 h+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℃/10 h。

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(biāo)準(zhǔn)為GB/T 10247—2008；體積電阻率采用日本HIOKI公司SM7120型高阻計進行測試，測試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1410—2006；電氣強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型萬能拉力機進行測試，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型熱機械分析儀進行測試，測試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 36800.2—2018；阻燃性采用江都市天璨試驗機械廠CZF-5型水平垂直燃燒測試儀進行測試，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(xiàn)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(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。

表2 兩種環(huán)氧灌封膠固化后的基本性能Tab.2 Basic properties of two epoxy potting adhesive after curing

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關(guān)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(zhuǎn)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(lián)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。

圖1 兩種環(huán)氧灌封膠的TGA曲線Fig.1 TGA curves of two epoxy potting adhesives

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℃。

圖2 兩種環(huán)氧灌封膠DSC曲線Fig.2 DSC curves of two epoxy potting adhesives

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(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)。采用熱機械分析法（TMA）測試兩種環(huán)氧灌封膠低于Tg（Alpha 1區(qū)域）和高于Tg（Alpha 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Tg（Alpha 1區(qū)域）分子鏈段被凍結(jié)，環(huán)氧灌封膠CTE值都較?。粶囟雀哂赥g（Alpha 2區(qū)域），分子鏈段運動和鏈段本身的擴散導(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。

圖3 兩種環(huán)氧灌封膠的TMA測試結(jié)果對比Fig.3 Comparison on TMA test resuts of two epoxy potting adhesives

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)。

表3 兩種環(huán)氧灌封膠絕緣性能Tab.3 Insulation performances of two epoxy potting adhesive

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1×1015Ω·cm，電氣強度均大于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。

圖4 兩種環(huán)氧灌封膠所灌封前后的IGBT模塊Fig.4 IGBT power module before and after packaged by two epoxy potting adhesives

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(yù)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(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(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。

表4為經(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行調(diào)整和優(yōu)化。

表4 IGBT模塊溫度性能測試Tab.4 Temperature performances test of IGBT power module

3 結(jié)論

對兩種國產(chǎn)環(huán)氧灌封膠進行了對比分析，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(yīng)用的最重要參數(shù)。此外，對于環(huán)氧灌封膠在IGBT模塊上的驗證過程需要對材料性能、應(yīng)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(guān)鍵問題。