環氧灌封膠及在IGBT功率模塊封裝中的應用

曾 亮，何 勇，劉 亮，戴小平

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

0 引言

功率半導體模塊主要應用于電能轉換和電能控制，是電能轉換與電能控制的關鍵器件，被譽為電能處理的“CPU”，是節能減排的基礎器件和核心技術之一，被廣泛應用在先進軌道交通、輸配電、電動汽車、新能源、智能家電以及軍工等領域[1]。功率模塊封裝技術是集材料性能研究和應用研究于一體的綜合性學科，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溫度過高或熱膨脹系數（CTE）匹配度的問題導致應用較少[4]；而有機封裝材料主要是有機硅、環氧樹脂和聚酰亞胺等高分子材料，在功率模塊中應用范圍較廣，相關的研究報道也相對較多[5]。

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）具有易驅動、控制速度快、導通電壓低、通態電流大、尺寸小等優點，是一種重要的功率半導體器件[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]。環氧樹脂由于其良好的絕緣性和工藝性而應用廣泛，但環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，環氧灌封的IGBT模塊在溫度沖擊實驗后易開裂、脫離和形變，導致封裝失效，因此環氧灌封膠在IGBT模塊封裝中的應用研究需要重點關注。

本文對兩種國產IGBT模塊封裝用環氧灌封膠的基本性能、熱性能和絕緣性能進行對比測試，并結合材料的基本性能研究兩種環氧灌封膠在模塊中的應用情況，為國產環氧灌封膠在IGBT模塊中的應用提供一定的參考。

1 實驗

1.1 原材料及使用工藝

選取兩種國產環氧灌封膠作為研究對象，分別標記為1#環氧灌封膠和2#環氧灌封膠，兩種環氧灌封膠的關鍵參數見表1。

表1 兩種環氧灌封膠的關鍵參數Tab.1 Key parameters of two epoxy potting adhesives

將1#環氧灌封膠A組分與B組分按質量比為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#環氧灌封膠A組分與B組分按質量比為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，測試標準為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，測試標準為GB/T 1410—2006；電氣強度采用桂林電器科學研究院有限公司ZHT-10/50型電氣擊穿測試儀進行測試，測試標準為GB/T 1408.1—2006；力學性能采用德國ZWICK公司Z010型萬能拉力機進行測試，測試標準為GB/T 2567—2008；導熱系數采用湘潭湘儀儀器有限公司DRPL-II型導熱測試儀進行測試，測試標準為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；玻璃化轉變溫度采用梅特勒DSC1型差示掃描量熱儀進行測試，測試標準為GB/T 19466.2—2004；熱膨脹系數采用美國TA公司TMA Q400型熱機械分析儀進行測試，測試標準為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，測試標準為GB/T 2408—2008，樣品厚度為6 mm。

2 結果與討論

2.1 環氧灌封膠固化前物理性能對比

環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參數，如表1所示。表1中的參數決定了環氧灌封膠的使用工藝條件及對灌膠設備的要求，也是環氧灌封膠選型中重要的技術工藝參數。

由于供應商對環氧灌封膠配方設計思路的差異，兩種環氧灌封膠固化前特性差異較大。對表1數據對比分析可以發現，兩種膠的設計思路差別為：1#為雙組分熱固化型環氧灌封膠，A、B組分密度和黏度相差較小，采用質量比為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氧灌封膠，但A、B組分密度和黏度相差大，采用質量比為4∶1的比例混合。此外該環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，增加了填料沉降風險，也不利于A、B組分混合。綜上所述，1#和2#環氧灌封膠固化前性能差異較大，對于儲存條件、工藝條件及灌膠設備等要求都會有所不同，需要結合存儲條件、灌膠設備、現場工藝條件等實際情況考慮選用。

2.2 環氧灌封膠固化后物理性能

2.2.1 環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，盡管兩種環氧灌封膠固化前后的基本性能差異較大，但固化后都體現出較好的機械強度、較低的吸水率和優異的阻燃性。其中1#環氧灌封膠的導熱系數明顯大于2#環氧灌封膠，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 環氧灌封膠的熱性能

熱（高溫）失效一直是導致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注。首先對兩種環氧灌封膠的熱穩定性進行測試，再對其玻璃化轉變溫度（Tg）及CTE值等熱性能進行討論，以期對環氧灌封膠在高溫條件下的封裝失效原因進行分析。

環氧樹脂及固化劑的分子量、固化物的交聯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定性造成一定的影響。圖1為兩種環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氧灌封膠的耐熱性能。從圖1可以看出，1#和2#環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#環氧灌封膠具有較好的耐熱性。

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

兩種環氧灌封膠固化物的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氧剛性鏈段的Tg引起。由DSC測試數據可以推斷兩種環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。采用熱機械分析法（TMA）測試兩種環氧灌封膠低于Tg（Alpha 1區域）和高于Tg（Alpha 2區域）的CTE值。Tg前后環氧灌封膠的CTE值差別較大，這是由于低于Tg（Alpha 1區域）分子鏈段被凍結，環氧灌封膠CTE值都較小；溫度高于Tg（Alpha 2區域），分子鏈段運動和鏈段本身的擴散導致膠的CTE值偏大。圖3為兩種環氧灌封膠的Tg以及Z軸方向的CTE值對比圖。

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

從圖3(a)可以看出，TMA測得兩種環氧灌封膠的Tg分別為101.3℃和95.5℃，與DSC法測試結果并不相同；從圖3(b)可以看出，1#環氧灌封膠的CTE值要低于2#，說明1#環氧灌封膠的熱性能更為優異。

兩種環氧膠灌封膠的技術資料顯示，1#環氧灌封膠選用的樹脂類型為雙酚A型環氧樹脂、鄰甲酚醛環氧樹脂、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構的改性酸酐；2#環氧灌封膠樹脂類型為低黏度脂環族環氧樹脂、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測試結果表明，由于1#環氧灌封膠中鄰甲基酚醛具有更大的分子鏈結構，與含剛性分子結構的固化劑交聯后能有效地阻礙主鏈的內旋運動，環氧柔性下降，而納米結構的核殼增韌劑對環氧灌封膠的Tg影響較小。而2#環氧灌封膠雖然采用了分子鏈結構較大的酚醛樹脂，但低羥基當量的酚醛樹脂使交聯點減少，低黏度脂環族環氧樹脂與甲基六氫苯酐固化后也無法形成更大的分子結構阻礙主鏈內旋運動，分子柔性較大，導致2#環氧灌封膠的Tg較低。此外，低黏度脂環族環氧樹脂雖然交聯密度較大，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應力釋放和收縮，造成模塊封裝失效。對比TMA與DSC測得的Tg發現，TMA不僅能得到環氧灌封膠的熱變形溫度，還能了解環氧灌封膠在高溫狀態下的膨脹和變形情況，更直觀且更具有參考價值。

2.2.3 環氧灌封膠的絕緣性能

環氧灌封膠的體積電阻率、表面電阻率、相對介電常數以及電氣強度等絕緣性能會對模塊可靠性產生較明顯的影響。表3為兩種環氧灌封膠的絕緣性能測試數據。

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

從表3中可以發現，兩種國產環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（CTI）均超過400，表明兩種國產環氧灌封膠都具有較好的絕緣特性。

2.3 環氧灌封膠在IGBT模塊封裝中的應用

為分析兩種環氧灌封膠在IGBT模塊上的應用情況，分別對1#和2#環氧灌封膠進行了灌封實驗。圖4為兩種環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將環氧灌封膠的A組分和B組分分別在60℃的環境中存放長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氧灌封膠快速脫泡10 min后緩慢倒入預備好的模塊中；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環境測試。

溫度變化所導致的環氧灌封膠體開裂、與外殼的脫離或應力過大導致外殼開裂等問題會對封裝結果有直接影響，因此環氧灌封膠的溫度性能對其在IGBT模塊中的應用影響較大。

表4為經過高溫存儲、低溫存儲和溫度循環后兩種環氧灌封膠在IGBT功率模塊中的應用情況。從表4可以發現，1#環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后并未出現膠開裂，膠體與IGBT塑料外殼之間也并未出現由于收縮引起的縫隙和脫離現象，說明該環氧灌封膠能滿足IGBT模塊的灌封要求；2#環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后膠體與外殼間脫離，封裝失效，說明2#環氧灌封膠在耐溫性能方面還存在缺陷，可能還需在環氧膠樹脂應用、填料種類及含量等方面進行調整和優化。

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

3 結論

對兩種國產環氧灌封膠進行了對比分析，發現1#和2#環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測試；由于2#環氧灌封膠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值的大小是影響環氧灌封膠在IGBT模塊封裝應用的最重要參數。此外，對于環氧灌封膠在IGBT模塊上的驗證過程需要對材料性能、應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鍵問題。