高分子材料在功率模塊封裝中的研究與應(yīng)用：環(huán)氧樹脂

環(huán)氧樹脂是分子鏈段中含有兩個(gè)以上環(huán)氧基的有高分子材料，具有工藝性強(qiáng)、介電性能好、機(jī)械強(qiáng)度高的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。環(huán)氧樹脂材料被應(yīng)用于IGBT模塊封裝中最主要是灌封(Potting)和轉(zhuǎn)模(Transfer Molding)。下面將分別介紹。

1.1?環(huán)氧灌封膠

IGBT模塊灌封用環(huán)氧膠(Epoxy Potting Adhesive)一般是在完成硅凝膠灌封后再進(jìn)行灌封，經(jīng)固化后在硅凝膠上層形成一層密度大質(zhì)地堅(jiān)硬的保護(hù)層，能夠起保護(hù)和強(qiáng)化模塊整體性的作用，對(duì)提高模塊的抗機(jī)械沖擊性具有一定的實(shí)際意義，這種封裝結(jié)構(gòu)方式在軌道交通用IGBT模塊上應(yīng)用較多。

IGBT模塊灌封用環(huán)氧膠主要采用雙組分的形式，是由特種環(huán)氧樹脂、無機(jī)填料和助劑等制備而成，其固化物具有很高的阻燃性和較低的CTE值，可以有效隔離外部不利環(huán)境的影響。IGBT環(huán)氧灌封膠的供應(yīng)商比較多，如亨斯曼(HUNSTMAN)、3M(Minnesota Mining and Manufacturing)、愛瑪森康明(Emerson & Cuming)等。下表列舉了IGBT模塊封裝中兩種環(huán)氧灌封膠。從表中可以發(fā)現(xiàn)，IGBT模塊封裝用環(huán)氧灌封膠具有硬度高、黏度較大的特點(diǎn)，需要配合較專業(yè)的灌膠設(shè)備進(jìn)行施膠。表2列舉了幾種功率模塊封裝用環(huán)氧灌封膠性能。

表1 幾種功率模塊封裝用環(huán)氧灌封膠性能

Tab.1 the performances of epoxy pottingadhesive for power module?package

普通雙酚A型環(huán)氧樹脂制備的環(huán)氧灌封膠在-40℃的低溫下會(huì)發(fā)生收縮和開裂，導(dǎo)致封裝失效；在超過150℃的高溫下又會(huì)發(fā)生軟化，喪失部分機(jī)械性能和介電性能，超過200℃的高溫一段時(shí)間后又有可能會(huì)發(fā)生化學(xué)鍵的斷裂后產(chǎn)生小分子揮發(fā)物質(zhì)，因此對(duì)于運(yùn)行溫度達(dá)200℃的碳化硅IGBT模塊的封裝會(huì)存在很多問題。IGBT模塊灌封用環(huán)氧膠的耐高溫性、抗開裂性、低CTE值以及施膠工藝的改善以提高模塊的可能性等是需要重點(diǎn)關(guān)注的發(fā)展方向。

筆者之前利用雙酚A型環(huán)氧和酸酐制備出適合IGBT灌封的環(huán)氧膠，其性能可以能承受1000次以上-40℃~125℃的冷熱沖擊循環(huán)測(cè)試，并在此基礎(chǔ)上對(duì)該環(huán)氧膠的黏度建立模型方程，預(yù)測(cè)了50~90℃內(nèi)環(huán)氧膠的流標(biāo)特性，為施膠工藝提供了有價(jià)值的參考；為了開發(fā)耐熱性更好的IGBT環(huán)氧灌封膠，技術(shù)團(tuán)隊(duì)又研究了采用了耐高溫的特種環(huán)氧樹脂為主體樹脂，配合耐高溫的碳化硅和阻燃性好的氫氧化鋁為填料，制備出在高溫下力學(xué)性能良好、介電性能高的IGBT環(huán)氧灌封膠，其玻璃化溫度超過200℃，可以滿足大功率IGBT模塊的灌封要求。Li等研究了純環(huán)氧膠、含5%納米氧化鋁、含60%微米氧化鋁以及含2%納米和60%微米氧化鋁的四種不同環(huán)氧膠，對(duì)不同粒徑氧化鋁填充對(duì)環(huán)氧膠擊穿強(qiáng)度和局放強(qiáng)度進(jìn)行了研究，認(rèn)為納米填料的加入將是提高微填充環(huán)氧膠的介電強(qiáng)度和降低局放強(qiáng)度的一種有效途徑。三菱電機(jī)率先開發(fā)了一種黏度較低的、玻璃化溫度較高、熱穩(wěn)定性好、粘接強(qiáng)度高的液態(tài)環(huán)氧灌封樹脂(Direct Potting Resin，DP樹脂)，并結(jié)合絕緣金屬基板(Insulating Metal Baseplate，IMB)封裝IGBT模塊，對(duì)所封裝的模塊進(jìn)行了可靠性研究后發(fā)現(xiàn)這種封裝方式能減少IGBT芯片下的焊料裂紋，極大提高熱循環(huán)試驗(yàn)壽命。采用DP樹脂灌封無需采用有機(jī)硅凝膠灌封IGBT模塊，與傳統(tǒng)的封裝模式有很大的區(qū)別，對(duì)環(huán)氧膠的性能要求及施膠要求較高，特別是需要解決環(huán)氧樹脂固化收縮率較高和CTE值與芯片差別過大的問題。

圖2 傳統(tǒng)IGBT模塊封裝結(jié)構(gòu)與DP樹脂封裝結(jié)構(gòu)

Fig.2 Conventional package structure and newpackage structure of IGBT module

圖3 DP樹脂封裝IGBT模塊（三菱LV100）

Fig.3 Outline of DP-resin package IGBT module（LV100Power Module）

2.2?環(huán)氧模塑樹脂

? ? 環(huán)氧模塑樹脂(Epoxy Molding Compound，EMC)又叫環(huán)氧模塑料，采用的主要成型的方式為轉(zhuǎn)模成型(Transfer Molding)。轉(zhuǎn)模成型又稱傳遞模塑成型和傳遞成型，是從濕法鋪層和注射工藝中演變而來的一種熱固性塑料的成型方法。一般是先將EMC樹脂在加熱室加熱軟化，借助于柱塞壓力使其通過膠口進(jìn)入加熱的模腔，然后在加熱好的模腔中加熱成型，最后完成脫模。轉(zhuǎn)模成型的示意圖。

圖4 轉(zhuǎn)模成型工藝的過程

Fig.4 Process of transfer molding

在IGBT模塊封裝上的市場(chǎng)量雖不及在分立器件上的市場(chǎng)大，但是隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的不斷成熟和市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，應(yīng)用于IGBT模塊塑封成型的EMC的市場(chǎng)量也會(huì)有比較大的增長。IGBT模塊封裝的EMC樹脂性能要求較高，如較好的成型性、良好的耐熱性、較高的機(jī)械強(qiáng)度和電氣絕緣性以及較低的CTE值，并且對(duì)水汽透過率要求很高。EMC主要由環(huán)氧樹脂（如甲酚醛環(huán)氧、聯(lián)苯型環(huán)氧等）、固化劑（如酚醛樹脂、酸酐等）和填料（如二氧化硅、氮化鋁等），再配合阻燃劑、催化劑、偶聯(lián)劑和脫模劑等助劑組成。典型的EMC樹脂的組成如下圖所示。

圖5 環(huán)氧模塑料及基本組成

Fig.5 Composition of epoxy molding compound

IGBT模塊封裝用EMC主要供應(yīng)商有信越化學(xué)(Shin-Etsu Chemical)、京瓷化學(xué)(Kyocera Chemical)、日立化成(Hitachi Chemical)、住友電木(Sumitomo Bakelite)等。

表3 幾種功率模塊封裝用EMC樹脂性能

Tab.3 the performances of epoxy moldingcompound for power module package

隨著新一代模塊封裝技術(shù)，特別是汽車應(yīng)用的雙面散熱IGBT模塊的發(fā)展，EMC也越來越受到人們的關(guān)注，對(duì)EMC中對(duì)電子元件有影響的不純物含量、與LeadFrame的粘接性、耐熱性以及CTE值等都提出了新的要求；阻燃性、無鹵和綠色環(huán)保也是EMC的重要發(fā)展方向。

圖6 英飛凌雙面散熱IGBT模塊

Fig.6 Double Side Cooled IGBT Module ofInfineon

筆者介紹：

曾亮（1984.09-），男，湖南株洲人，漢族，高級(jí)工程師。長期從事功率半導(dǎo)體封裝用高分子材料研究與開發(fā)。

曾就職于中國中車、中國化工等公司，目前就職于湖南國芯半導(dǎo)體科技有限公司。

微信號(hào)：hanxu42