電子元器件用導(dǎo)熱絕緣封裝膠粘材料特性分析

摘 要：導(dǎo)熱絕緣材料指的是一種具備絕緣和導(dǎo)熱性能的材料，在微電子集成技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，邏輯電路和電子元器件的體積比較小，工作頻率也在不斷增加，元器件工作環(huán)境溫度提高。為了使電子元器件可靠的工作，高導(dǎo)熱絕緣材料被廣泛應(yīng)用到電子封裝、微電子、電機(jī)電器等行業(yè)中。大部分聚合物材料的熱導(dǎo)率比較低，無法作為導(dǎo)熱材料，所以要設(shè)置導(dǎo)熱性物質(zhì)，使導(dǎo)熱率增加。因此，對導(dǎo)熱絕緣材料在電子器件中的應(yīng)用進(jìn)行分析，開發(fā)耐高溫、導(dǎo)熱性的材料，促進(jìn)電力電子器件朝著耐高溫工作方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)熱絕緣材料；電子元器件；膠粘劑；特性分析

中圖分類號：TQ437+.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2023）11-0034-03

Characteristic analysis of thermally conductive and insulating encapsulating adhesive materials for electronic components

DAI Xiaofei

（Aksu Power Supply Company of State Grid Xinjiang Electric Power Co.，Ltd.，Aksu 843000，Xinjiang China

）

Abstract：Thermally conductive and insulating material refers to a material with insulating and thermal conductivity properties.In the the process ofcontinuous development of microelectronics integration technology，the volume of logic circuits and electronic components is relatively small，the working frequency and the working environment temperature of the components are bothincreasing.In order to make electronic components work reliably，high thermal conductive andinsulatingmaterials are widely used in industries such as electronic packaging，microelectronics，and electrical motor and appliances.Most polymer materials have a relatively lowthermal conductivity and can not be used as a thermal conductivity material，so the thermal conductive materialhas to be set up to increase the thermal conductivity.Therefore，the application of thermal insulation materials in electronic devices is analyzed，and materials with high temperature resistance and thermal conductivity are developed to promote the development of power electronic devices toward high-temperature resistant operation

Key words：thermal conductive and insulating materials;electronic devices;adhesive;characteristic analysis

導(dǎo)熱絕緣材料指的是一種具備絕緣和導(dǎo)熱性能的材料，電阻率大于1010 Ω·m。但是為高導(dǎo)熱絕緣材料進(jìn)行定義，并沒有明確的界限，在不同應(yīng)用場合對于導(dǎo)熱性能好壞定義具有一定的差別。比如，導(dǎo)熱絕緣材料在電力電子器件中使用的時(shí)候，對于聚合物、陶瓷等不同類型基板，導(dǎo)熱性能的優(yōu)良性定義各有不同。總體來說，陶瓷基板導(dǎo)熱性能比聚合物基板要好［1］。

1 導(dǎo)熱絕緣材料的物理基礎(chǔ)特性

功率半導(dǎo)體模塊能夠?qū)崿F(xiàn)電能控制與轉(zhuǎn)換，為節(jié)能減排核心技術(shù)和基礎(chǔ)器件，在新能源、輸配電、軌道交通和電動汽車等領(lǐng)域使用。功率模塊封裝技術(shù)為集材料性能研究與應(yīng)用為一體的綜合性學(xué)科，封裝材料因?yàn)楣β誓K封裝方式多樣化而不同。通過材料種類劃分為無機(jī)材料和有機(jī)材料，無機(jī)封裝材料包括水凝膠陶瓷、玻璃等因?yàn)闊Y(jié)溫度過高導(dǎo)致應(yīng)用比較少；有機(jī)封裝材料包括環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅等高分子材料，在功率模塊中使用范圍比較廣。絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的主要特點(diǎn)為尺寸小、通態(tài)電流大、導(dǎo)通電壓低等，IGBT模塊根據(jù)封裝形式的不同分為焊接式和壓接式。

根據(jù)熱動力學(xué)說，熱指的是通過電子、原子和分子等構(gòu)成的轉(zhuǎn)動、移動和振動的熱量。所以，物質(zhì)導(dǎo)熱機(jī)理和構(gòu)成物質(zhì)的微觀粒子運(yùn)動具有密切關(guān)系。固體內(nèi)部導(dǎo)熱載體包括聲子、光子和電子，因?yàn)殡娮幼陨砭邆涞碾姾桑娮舆w移中具有大量能量，導(dǎo)熱率比較高。但是導(dǎo)電體沒有絕緣性能，不能夠在絕緣材料制備中應(yīng)用。因?yàn)楣庾訜醾鲗?dǎo)作用材料要具備投射性，只能夠應(yīng)用特殊玻璃或者單晶體，沒有普遍意義。普通固體材料通過聲子出現(xiàn)導(dǎo)熱作用，比如金屬氧化物和無機(jī)非金屬材料，此物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)有序性會使聲子平均自由程要大［2］。

導(dǎo)熱絕緣高分子材料包括非晶體和晶體2種，通過導(dǎo)熱機(jī)理分析，晶體導(dǎo)熱機(jī)理為晶粒熱振動，利用聲子概念描述；非晶體導(dǎo)熱機(jī)理是根據(jù)無規(guī)律排列分子或者原子根據(jù)固定位置做熱振動使能量對原子和分子傳遞。因?yàn)榉蔷w能夠作為細(xì)晶粒的晶體，還能夠作為聲子對導(dǎo)熱進(jìn)行分析。高分子材料自身的結(jié)晶度并不高，并且結(jié)晶不完整，晶格和分子的樹脂界面、非諧性振動和缺陷等情況導(dǎo)致聲子散射，從而降低了聚合物導(dǎo)熱系數(shù)。

要想制備高導(dǎo)熱聚合物分子，通過結(jié)構(gòu)方面分析，高聚物分子具備完善結(jié)晶取向結(jié)構(gòu)和共軛結(jié)構(gòu)。但是，導(dǎo)熱高分子加工工藝比較復(fù)雜，無法實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。所以，根據(jù)近代固體物理熱傳導(dǎo)理論，將具有較高導(dǎo)熱率的填料摻雜在聚合物基體材料中，從而制得導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料［3］。

針對填充型導(dǎo)熱聚合物基材料，導(dǎo)熱系數(shù)和聚合物數(shù)值基體相關(guān)。在樹脂中分散的導(dǎo)熱填料包括纖維狀、粒狀和片狀等形狀，在填料添加量比較低的時(shí)候，通過孤立方式存在于聚合物基體中。此時(shí)，連續(xù)性為聚合物基體，填料被聚合物集體包覆，和聚合物共混體系的海島兩相體系結(jié)構(gòu)類似。但是，在填料添加量超過閾值的時(shí)候，填料或者聚集體會接觸局部導(dǎo)熱鏈通過復(fù)合材料構(gòu)成。如果增加填料量，局部導(dǎo)熱網(wǎng)和導(dǎo)熱鏈相互貫穿，構(gòu)成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，提高填充復(fù)合材料導(dǎo)熱性能。在導(dǎo)熱填料添加量得到特定值的時(shí)候，顆粒能夠相互的接觸，構(gòu)成通路，為高聚合物從熱不良導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)榱紝?dǎo)體。此轉(zhuǎn)變指的是逾滲，和其相關(guān)的理論能夠應(yīng)用在填充型導(dǎo)熱負(fù)荷材料中［4］；表1為導(dǎo)熱聚合物材料的關(guān)鍵性能指標(biāo)。

2 有機(jī)硅材料特性分析

有機(jī)硅材料屬于可靠、穩(wěn)定的高分子材料，主要作用為灌封與導(dǎo)熱。有機(jī)硅凝膠為固體和液體2種相態(tài)的固液共存的特殊硅橡膠，質(zhì)地柔軟，并不會對電子芯片造成機(jī)械應(yīng)力。即便是在-50～200 ℃的條件下，柔軟性能不會發(fā)生改變，能夠?qū)GBT芯片避免濕氣侵蝕，實(shí)現(xiàn)減震、防塵、防潮、絕緣等效果。有機(jī)硅凝膠種類比較多，反應(yīng)類型包括縮合型和加成型。縮合型有機(jī)硅膠的自修復(fù)性和粘接性，在反應(yīng)過程中存在小分子物質(zhì)，收縮率比較大，無法實(shí)現(xiàn)功率半導(dǎo)體封裝。加成型有機(jī)硅凝膠通過貴金屬催化劑、含氫硅油和乙烯基硅油等構(gòu)成，反應(yīng)過程就是活性氫和乙烯基的加成反應(yīng)，沒有副作用和收縮。所以，在IGBT模塊封裝過程中使用加成型有機(jī)硅凝膠［5］。

普通線性聚二甲基硅氧烷凝膠存儲在175 ℃以上的環(huán)境中超過1 000 h比較脆，降低介電性能和力學(xué)性能。普通有機(jī)硅凝膠存儲在200 ℃環(huán)境中會開裂和黃變，降低了材料性能，這是因?yàn)橛袡C(jī)硅凝膠純度不足導(dǎo)致，出現(xiàn)此種情況是受制備工藝和原材料純度等影響所致。過高的離子含量有機(jī)硅凝膠在長時(shí)間的高電場和高溫環(huán)境下會出現(xiàn)硬化、黃變和金屬離子遷移等情況，對IGBT模塊可靠性造成影響。所以，要重視有機(jī)硅凝膠。瓦克所開發(fā)的超純度有機(jī)硅凝膠總殘余離子含量不超過2×10-6，在IGBT模塊封裝方式不斷發(fā)展的過程中，對有機(jī)硅凝膠在封裝中的使用提出了一定的要求，有機(jī)硅凝膠的耐高溫性、高純度與高階電性為發(fā)展主要方向［6］。

3 環(huán)氧塑封材料特性分析

環(huán)氧塑封材料能夠?qū)﹄娐穬?nèi)部芯片進(jìn)行保護(hù)，避免外界環(huán)境影響到芯片，所以使用熱導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度比較高。通過構(gòu)成方面分析，封裝材料包括塑料、陶瓷和金屬等，塑料封裝材料占據(jù)95%左右。塑封材料重點(diǎn)為環(huán)氧樹脂，在汽車行業(yè)、航空航天和電力電子方面廣泛使用。

環(huán)氧塑封材料指的是高分子復(fù)合材料，將環(huán)氧樹脂作為機(jī)體，使固化促進(jìn)劑、固化劑、填充劑等根據(jù)一定比例利用適當(dāng)工藝混合成為環(huán)氧模塑料。環(huán)氧樹脂的主要性能為具備良好粘接性，和大部分物質(zhì)都具備良好粘附性；具有良好收縮性，通過交聯(lián)固化并不會產(chǎn)生小分子副產(chǎn)物；交聯(lián)后構(gòu)成三維立體結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能良好。國外環(huán)氧樹脂塑料產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較早，并且產(chǎn)品大部分都處于高端的位置。我國環(huán)氧樹脂產(chǎn)業(yè)的起步比較晚，目前出現(xiàn)了大批全新的環(huán)氧樹脂產(chǎn)業(yè)。環(huán)氧塑封材料具備剛性特性和熱膨脹系數(shù)的特點(diǎn)，并且耐溫性能有限，所以中低壓MOSFET電力電子模塊被廣泛使用［7］。

4 環(huán)氧灌封膠特性分析

在IGBT模塊運(yùn)行的過程中會受到高潮濕、沖擊、機(jī)械振動等不利因素的影響，所以要求環(huán)氧灌封膠的抗沖擊性、硬度和吸水率可靠性良好。熱失效會導(dǎo)致IGBT失效，所以要對IGBT封裝材料熱性能進(jìn)行重視。環(huán)氧樹脂和固化物交聯(lián)密度、分子量等都會對分子鏈段運(yùn)動造成阻礙，影響到灌封膠的熱穩(wěn)定性。圖1為不同環(huán)氧灌封膠熱失重分析曲線，通過TGA曲線對比起始分解溫度和不同溫度殘留率。通過對比分析［10-11］，2號環(huán)氧灌封膠的耐熱性良好。

此環(huán)氧灌封膠樹脂類型指的是低粘度脂環(huán)族環(huán)氧樹脂，固化劑為甲基六氫苯酐的促進(jìn)劑。通過TMA測試結(jié)果表示，此環(huán)氧灌封膠使用大分子鏈的酚醛樹脂，分子柔性比較大［9］。

溫度變化會使環(huán)氧灌封膠體開裂，從而影響到封裝結(jié)果。所以，環(huán)氧灌封膠溫度性能對于IGBT模塊的影響是最大的。使用的環(huán)氧灌封膠能夠通過高溫存儲測試，具有較大的CTE值，通過溫度循環(huán)和低溫存儲后脫離外殼和膠體，封裝失效，說明耐高溫下的環(huán)氧灌封膠出現(xiàn)問題，所以要對其應(yīng)用、種類和氧含量進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化［12］。

5 結(jié)語

電力電子器件朝著高電壓、高溫度的方向發(fā)展，促進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)朝著微型化、高功率密度化的方向發(fā)展，對于封裝材料的要求比較高。為了使電力電子封裝材料應(yīng)用效果得到提高，在此方面要加大投入，針對材料性能和自身分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)機(jī)制的創(chuàng)建，從而開發(fā)耐高溫、導(dǎo)熱性的材料，促進(jìn)電力電子器件朝著高溫工作方向發(fā)展。

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收稿日期：2023-06-15；修回日期：2023-09-16

作者簡介：戴曉非（1973-），男，高級工程師，主要從事電力營銷、信息采集、線損治理及數(shù)據(jù)處理等研究;E-mail：hyom0919@163.com。

引文格式：戴曉非.電子元器件用導(dǎo)熱絕緣封裝膠粘材料特性分析［J］.粘接，2023，50（11）：34-36.