絕緣柵雙極晶體管（IGBT）具有易驅(qū)動(dòng)、控制速度快、導(dǎo)通電壓低、通態(tài)電流大、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，是一種重要的功率半導(dǎo)體器件。IGBT模塊按封裝形式的不同可分為壓接式和焊接式。焊接式主要采用的是有機(jī)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(zhǎng)其使用壽命。環(huán)氧樹(shù)脂由于具有極好的電氣絕緣性能和操作工藝性，被廣泛應(yīng)用于電子封裝領(lǐng)域，采用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行灌封保護(hù)的電子元器件具有極好的整體性和尺寸穩(wěn)定性，能有效延長(zhǎng)電子芯片2~3倍的使用壽命。
但環(huán)氧灌封膠固化收縮率較大，且固化后CTE值相對(duì)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(shí)驗(yàn)后易開(kāi)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(diǎn)關(guān)注。
研究人員對(duì)兩種IGBT模塊封裝用環(huán)氧灌封膠的性能進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，采用這兩種環(huán)氧灌封膠分別封裝IGBT功率模塊，并對(duì)封裝的IGBT模塊進(jìn)行測(cè)試。
1.環(huán)氧灌封膠固化前物理性能對(duì)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(shí)間等基本技術(shù)參數(shù)，如表1所示。技術(shù)參數(shù)決定了環(huán)氧灌封膠的使用工藝條件及對(duì)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)。
表1?兩種環(huán)氧灌封膠的關(guān)鍵參數(shù)
兩種環(huán)氧灌封膠固化前特性差異較大，從表 1分析發(fā)現(xiàn)：
1#?為雙組分熱固化型，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。在常溫下混合黏度較大，超過(guò)20000mPa·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# 為雙組分熱固化型，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。在常溫下的混合黏度為 5540 mPa·s，具有較低操作黏度和滲透性，可無(wú)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(xiǎn)，也不利于 A、B 組分混合。
2.環(huán)氧灌封膠固化后物理性能
IGBT模塊在運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)遭受強(qiáng)烈機(jī)械振動(dòng)、外力沖擊和濕熱等不利影響因素，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。
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(jī)械強(qiáng)度、較低的吸水率和優(yōu)異的阻燃性。其中1#的導(dǎo)熱系數(shù)明顯大于2#，可能是所采用的填料種類及添加量的差異所致。
熱（高溫）失效一直是導(dǎo)致IGBT失效的重要原因，因此對(duì)IGBT封裝材料的熱性能需要重點(diǎn)關(guān)注。首先對(duì)兩種環(huán)氧灌封膠的熱穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，再對(duì)其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）及CTE值等熱性能進(jìn)行討論，以期對(duì)環(huán)氧灌封膠在高溫條件下的封裝失效原因進(jìn)行分析。
環(huán)氧樹(shù)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(yùn)動(dòng)，從而對(duì)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(guò)TGA曲線的起始分解溫度和不同溫度下的殘留率對(duì)比兩種環(huán)氧灌封膠的耐熱性能。從圖1可以看出，1#和2#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(cè)試先從室溫開(kāi)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#的二次升溫曲線在122.4℃左右具有一個(gè)較為明顯的Tg點(diǎn)，而2#的二次升溫曲線在77.5℃和115.7℃左右存在兩個(gè)Tg點(diǎn)，分別由增韌樹(shù)脂鏈段和環(huán)氧剛性鏈段的Tg引起。由DSC測(cè)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(jī)械分析法（TMA）測(cè)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?Tg（Alpha 2區(qū)域），分子鏈段運(yùn)動(dòng)和鏈段本身的擴(kuò)散導(dǎo)致膠的CTE值偏大。
兩種環(huán)氧膠灌封膠的資料顯示，1#的樹(shù)脂類型為雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂、鄰甲酚醛環(huán)氧樹(shù)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#的樹(shù)脂類型為低黏度脂環(huán)族環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)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(jìn)劑。
TMA測(cè)試結(jié)果表明，由于1#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(yùn)動(dòng)，環(huán)氧柔性下降，而納米結(jié)構(gòu)的核殼增韌劑對(duì)環(huán)氧灌封膠的Tg影響較小。而2#雖然采用了分子鏈結(jié)構(gòu)較大的酚醛樹(shù)脂，但低羥基當(dāng)量的酚醛樹(shù)脂使交聯(lián)點(diǎn)減少，低黏度脂環(huán)族環(huán)氧樹(shù)脂與甲基六氫苯酐固化后也無(wú)法形成更大的分子結(jié)構(gòu)阻礙主鏈內(nèi)旋運(yùn)動(dòng)，分子柔性較大，導(dǎo)致2#的Tg較低。此外，低黏度脂環(huán)族環(huán)氧樹(shù)脂雖然交聯(lián)密度較大，但其固化收縮率較大，通過(guò)后期溫度沖擊或者低溫存儲(chǔ)測(cè)試，有可能會(huì)進(jìn)一步加劇樹(shù)脂內(nèi)應(yīng)力釋放和收縮，造成模塊封裝失效。對(duì)比 TMA 與 DSC 測(cè)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(jià)值。
環(huán)氧灌封膠的體積電阻率、表面電阻率、相對(duì)介電常數(shù)以及電氣強(qiáng)度等絕緣性能會(huì)對(duì)模塊可靠性產(chǎn)生較明顯的影響。從表3可以看出，兩種環(huán)氧灌封膠的絕緣性能差異較小，都具有較好的絕緣特性。
5.環(huán)氧灌封膠在IGBT模塊封裝中的應(yīng)用
溫度變化所導(dǎo)致的環(huán)氧灌封膠體開(kāi)裂、與外殼的脫離或應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致外殼開(kāi)裂等問(wèn)題會(huì)對(duì)封裝結(jié)果有直接影響，因此環(huán)氧灌封膠的溫度性能對(duì)其在IGBT模塊中的應(yīng)用影響較大。
研究人員分別對(duì) 1# 和 2# 環(huán)氧灌封膠進(jìn)行了灌封實(shí)驗(yàn)。圖4為兩種環(huán)氧灌封膠灌封前后的IGBT模塊照片。采用 Econo PACK 封裝形式的模塊，灌封尺寸約為110.0 mm×57.5 mm×17.0 mm。?
表 4 為經(jīng)過(guò)高溫存儲(chǔ)、低溫存儲(chǔ)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# 灌封的模塊在高溫存儲(chǔ)、低溫存儲(chǔ)以及溫度循環(huán)后并未出現(xiàn)膠開(kāi)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，能滿足IGBT模塊的灌封要求；2# 能完全通過(guò)高溫存儲(chǔ)測(cè)試，但由于 CTE 值偏大，模塊低溫存儲(chǔ)以及溫度循環(huán)后膠體與外殼間脫離，封裝失效，在耐溫性能方面還存在缺陷，可能還需在環(huán)氧膠樹(shù)脂應(yīng)用、填料種類及含量等方面進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。
測(cè)試結(jié)果表明，兩種環(huán)氧灌封膠不同的增韌機(jī)理、混合比例、固化溫度、機(jī)械強(qiáng)度和Tg值對(duì)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(yīng)用的重要參數(shù)。此外，環(huán)氧灌封膠在 IGBT 模塊上的驗(yàn)證過(guò)程需要對(duì)材料性能、應(yīng)用工藝以及后期的灌封驗(yàn)證，周期較長(zhǎng)，建立高效的選擇機(jī)制和打造高可靠性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)是關(guān)鍵。
6.大功率IGBT要求環(huán)氧灌封膠耐高溫
大功率IGBT模塊在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生極高的溫度，雖然底部的氮化鋁底襯起到一定的導(dǎo)熱作用，但模塊內(nèi)部溫度可能會(huì)達(dá)到180℃甚至200℃；另外IGBT模塊在使用過(guò)程中可能會(huì)遭受外界濕熱、外力沖擊、強(qiáng)烈機(jī)械振動(dòng)等不利因素影響，因此要求新一代大功率IGBT模塊封裝材料具有極佳的耐高溫性能，以保證IGBT芯片的運(yùn)行可靠性。
大功率IGBT用高耐溫環(huán)氧灌封膠具有很好的耐化學(xué)腐蝕性能和很高的剪切強(qiáng)度，能夠長(zhǎng)期暴露在超過(guò)200℃高溫環(huán)境中，短期甚至能承受高達(dá)250℃的高溫。
《環(huán)氧灌封膠及在IGBT功率模塊封裝中的應(yīng)用》，曾亮等
《大功率IGBT用耐高溫環(huán)氧灌封膠的研制》，曾亮等
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)）：環(huán)氧灌封膠在IGBT功率模塊封裝中的應(yīng)用
