功率模塊封裝所采用的塑料框架(Plastic Frame)必須達到很高的技術要求，如在工作溫度區(qū)間內（如軌道交通用IGBT模塊長期運行溫度為-55~125℃）具有較高的的拉伸強度且機械強度穩(wěn)定，能承受短期超過250℃的高溫以適用中低功率模塊的焊接工藝。此外所選用的材料必須具有很好的電氣絕緣性能，相對電痕指數(shù)(Comparative Tracking Index，CTI)要求較高且能承受高度的電磁污染，無鹵和氧化銻等害物質且能滿足激光打標等要求等。
圖1?PA及其注塑成型的IGBT模塊框架
Fig.1 PA and plastic frame for IGBT module
目前功率模塊塑料框架所采用的材料較為普遍的有聚酰胺(Polyamide，PA)、聚對苯二酸乙二醇酯(Polyethyleneglycol Terephthalate，PET)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(Polybutylene Terephthalate，PBT)等。隨著大功率IGBT模塊的的發(fā)展對模塊的安全可靠性提出了更高的要求，機械強度和玻璃化轉變溫度更高的特種工程塑料如聚鄰苯二甲酰胺(Polyphthalamide，PPA)以及聚苯硫醚(Polyphenylene Sulfide，PPS)被應用與制造IGBT塑料框架，所封裝的IGBT模塊主要應用于軌道交通中，杜邦(DuPont)、巴斯夫(BASF)、東麗(TORAY)、三菱(Mitsubishi)等公司的料具有性能優(yōu)勢。表1是制造塑料框架材料的基本性能。
隨著碳化硅等功率模塊運行溫度的上升，強度高、高尺寸穩(wěn)定性、耐高溫、CTI值高加工性好的塑料框架是需要關注的發(fā)展方向。楊克儉等開發(fā)出一種高流動性無鹵阻燃增強的尼龍，這種材料具有熔體流動性高、環(huán)保且阻燃性好、電性能好、力學性能優(yōu)異等優(yōu)點，制品低翹曲高平整度，適合用來加工于IGBT塑料框架。唐毅平等將功能性三嗪環(huán)與尼龍通過熔融共混改性得到耐高溫、耐高電壓的改性尼龍，該尼龍可應用于IGBT框架的制造，能夠滿足IGBT模塊在高溫高電壓下的使用要求。路宏偉等將PPS與超高分子量聚乙烯(UHMWPE)共混，改善了PPS的耐沖擊性和電氣絕緣性能，再用玻璃纖維增強，得到具備優(yōu)異力學性能和電氣絕緣性能的復合樹脂，拓展了PPS在IGBT塑料框架中的應用。
圖2?壓接型IGBT完整示意圖和子模組結構爆炸視圖
Fig.2?Structure diagram of press-pack IGBT
工程塑料在IGBT模塊封裝中的另一個應用是在壓接式的模塊中被加工成子模組的安裝座使用，多是經(jīng)玻璃纖維或碳纖維增強后的聚醚醚酮(PEEK)加工而成。PEEK作為一種新型的工程塑料具有硬度大、承壓能力強、耐受溫度高、尺寸穩(wěn)定性好的特點。英國威格斯(Victrex)的料具有較高的性能優(yōu)勢。HaoyuWang等研究優(yōu)化壓接式IGBT模塊的PEEK框架和管芯之間的氣隙來改善模塊的絕緣性能，也對PEEK在壓接式IGBT模塊中的應用情況進行了介紹。MarkSweet等研究了PEEK盒式設計對4500V壓裝IGBT模塊擊穿性能的影響。
表1 幾種制造IGBT模塊塑料框架材料的基本性能
Tab.1 the performances of Plastic framefor IGBT package
|
材料種類 |
PA |
PBT |
PET |
PPA |
PPS |
|
熔點(℃) |
260～280 |
225～235 |
265~280 |
310~325 |
285~315 |
|
拉伸強度(MPa) |
110 |
130 |
90 |
134 |
114 |
|
斷裂伸長率(%) |
1.5 |
2.5 |
3.5 |
2.8 |
0.7 |
|
彎曲強度(MPa) |
160 |
180 |
200 |
179 |
190 |
|
彎曲模量(GPa) |
8 |
6.5 |
4 |
7 |
18.6 |
|
阻燃性(UL94) |
V-0 |
V-0 |
V-0 |
V-0 |
V-0 |
|
CTI值(V) |
400 |
400 |
400 |
400 |
600 |
筆者介紹：
曾亮（1984.09-），男，湖南株洲人，漢族，高級工程師。長期從事功率半導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體科技有限公司。
微信號：hanxu42
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦半導體網(wǎng)）：高分子材料在功率模塊封裝中的研究與應用：外殼材料