電動汽車功率電子封裝用耐高溫環氧塑封料的研究進展

王曉蕾， 張有生， 戴晟偉， 柳宇昂， 杜萱哲， 任 茜， 劉金剛

（1. 中國地質大學（北京） 材料科學與工程學院 地質碳儲與資源低碳利用教育部工程研究中心，北京 100083；2. 浙江嘉民新材料有限公司，浙江 嘉興 314011）

0 引 言

近年來，隨著新能源、風電、深海油田鉆井、地熱資源利用、高鐵以及民用或軍用航空器等領域對高功率密度電子器件需求的不斷增加，傳統的硅基半導體器件正面臨著巨大的挑戰[1]。基于SiC、GaN等半導體材料的第三代半導體器件以其耐壓等級高、開關速率快、熱傳導率高、功率損耗低、節能等特點在上述領域中得到了越來越廣泛的應用[2]。但這類功率器件常工作于高頻、高溫和高壓等極端環境中，因此對器件的封裝保護也提出了越來越高的要求。眾所周知，封裝主要起到為芯片抵御機械應力、電擊穿、化學腐蝕以及有害粒子輻射等方面侵害的作用，對保障芯片的高可靠性至關重要[3-5]。傳統的硅基半導體器件通常工作在150℃以下，而SiC、GaN 等半導體材料的功率器件工作溫度可達到175℃，甚至達到200℃以上，這對封裝材料的可靠性提出了嚴苛的要求。基于金屬、陶瓷、玻璃等材料的氣密性封裝雖然具有較高的耐熱穩定性，但較高的封裝工藝溫度和較大的密度限制了其在電子封裝領域中的應用。有機高分子或樹脂基封裝材料在硅基半導體器件封裝中表現出了優良的綜合性能，但面對功率器件極端的工作環境，傳統的有機高分子封裝材料面臨著各種各樣的問題，如引線鍵合失效、封裝開裂等。因此，隨著功率電子器件的快速發展和商業化，亟須開發可在200℃以上應用的高性能塑封材料以保障器件的高可靠性[6-8]。

傳統功率模塊封裝多采用硅凝膠灌封材料，如圖1(a)所示[9]。但隨著功率模塊體積不斷減小，質量不斷減輕，耐熱性與可靠性要求不斷提高，其封裝形式逐漸發展為塑封料封裝，如圖1(b)所示[10]。功率模塊特殊的應用環境要求所使用的塑封料具有高耐熱、低翹曲、高絕緣以及高粘附力等特性。目前硅基半導體芯片所使用的封裝材料主要是環氧塑封料（EMC）。標準型EMC 的工作溫度往往不超過150℃，因此難以滿足功率電子器件的封裝需求。傳統的耐高溫聚合物樹脂，包括聚酰亞胺（PI）、雙馬來酰亞胺（BMI）、氰酸酯樹脂（CE）、苯并噁嗪樹脂（PBZ）、氰基樹脂、苯并環丁烯（BCB）、硅樹脂等均是潛在的可滿足高溫應用的塑封材料[11]，但這些樹脂的工藝性能與EMC相比還有較大差距，難以與目前通用的EMC封裝工藝匹配，此外這些樹脂由于熔體黏度較高，在與無機填料進行復合時往往存在填料分散不佳等問題，因此目前耐高溫塑封料的研制與開發主要集中于傳統EMC的結構改性等方面。

圖1 功率模塊芯片封裝對比Fig.1 Comparison of power module chip packaging

本文對近年來國內外關于耐高溫EMC 的基礎研究與應用進展進行綜述，從先進功率電子器件發展對塑封材料的性能需求、傳統EMC的高溫降解機制、EMC 結構與耐熱穩定性的關系以及提高EMC材料耐熱穩定性的改性途徑等方面進行闡述，重點對多芳環（MAR）型與含萘型EMC 的發展狀況進行總結。

1 環氧塑封料的熱降解機理及防護

1.1 先進功率電子封裝對EMC的性能要求

功率電子器件的快速發展對EMC 的綜合性能提出了越來越高的要求[12]，如圖2 所示，具體表現在以下7個方面：

圖2 功率電子封裝對EMC材料的性能要求Fig.2 Property requirements of power electronic packaging on the EMC materials

（1）高絕緣與無鹵阻燃[13]。額定電壓高的功率器件工作電壓有可能高達上千伏，在車載應用時還要暴露于各種化學物質中，因此要求EMC具有高絕緣特性。耐局部放電特性和耐電痕絕緣設計對于EMC 來說至關重要，如果在EMC 內部出現未填充區域或空隙，不僅會導致其絕緣強度下降，還會因為空隙中電荷的集中而發生局部放電，導致EMC性能劣化并對材料產生破壞。電痕是指絕緣體表面空氣中產生的電弧放電使絕緣體表面發熱被破壞形成的碳化導電路徑。電痕也可以解釋為在絕緣體表面沾染灰塵和電解質等污染物狀態下的電弧退化。因此，可以通過降低工作環境的污染程度來抑制其發生。衡量EMC 耐電痕特性的指標是相比電痕化指數（CTI）[14]，按照絕緣體的CTI值范圍可將其分為5 類，只有CTI≥600 V 的EMC 才可應用于功率電子器件封裝中。通過調節填料含量以及樹脂的氧指數可以提高EMC 的CTI水平。此外，應用于功率電子器件封裝的EMC應具有無鹵阻燃特性，這一點與目前常規半導體封裝材料的技術要求是一致的。

（2）低熱應力。功率電子器件封裝時產生的內應力主要包括EMC 本身在加熱固化過程中由于成型收縮等產生的內部應力，此外還包括反復加熱和冷卻過程中，EMC與封裝體內部其他構件之間的熱應力。一般來說，熱應力主要與冷熱循環的溫度上下限、EMC 的玻璃化轉變溫度（Tg）、EMC 在溫度低于Tg時的線性熱膨脹系數（CTE1）與溫度高于Tg時的線性熱膨脹系數（CTE2）、EMC 在溫度低于Tg時的彈性模量（E1）與溫度高于Tg時的彈性模量（E2）等因素密切相關[15]。其中，EMC 在處于其Tg以上的溫度區間時基本呈橡膠態，樹脂的分子鏈可以自由運動，此時產生的內應力非常小。也就是說，EMC 的內應力主要是在溫度低于Tg的熱歷史中產生。EMC 的CTE 值無論是過高或過低均會產生封裝內部應力，進而造成封裝體發生翹曲、形變或者破裂等問題。需要注意的是，對于SiC 基功率電子器件而言，由于工況溫度較高，由此產生的內應力會更為顯著，因此對EMC的CTE調整顯得尤為重要。

（3）高粘附性。功率電子器件工作時所通過的電流可能高達數十到數千安培，由此產生的熱量需要迅速散發到封裝外部，這就需要封裝體內部構件之間彼此牢固粘附以減小界面處的熱阻。EMC 的熱導率通常較低，不承擔散熱功能，但是其負責保護作為散熱路徑的金屬和陶瓷構件及鍵合界面。此外，功率電子器件中通常使用熱導率更高的銅合金作為引線框架。在預封裝階段，芯片貼裝之后的固化和引線鍵合這兩個步驟通常會經歷250℃以上的高溫。期間引線框架表面被氧化形成氧化膜。由于氧化膜與銅合金之間附著力較差，反復進行劇烈熱循環會使二者剝離或產生裂紋，形成熱傳導差的空氣層，進而使得在界面處的散熱性能劣化，產生的熱應力超過了封裝體的承受極限，最終導致封裝失效。

（4）高抗氧化性。隨著功率電子器件結溫（Tj）的不斷升高，因空氣氧化而產生的EMC性能劣化問題也越來越突出。SiC 基功率電子器件持續工作于高溫環境中時，在空氣中氧氣的作用下EMC的表面氧化反應可能會以較快的速率向其內部發展，導致EMC 性能顯著劣化。為此，在設計與制造EMC 時，需要使用不易氧化的基體樹脂，同時加入抑制氧化的添加劑。

（5）高導熱性。作為功率電子器件半導體封裝用EMC材料，對其導熱性能也有要求。一般將具有高導熱性的Al2O3（熱導率為30 W/(m·K)）與熔融SiO2（熱導率為1.3 W/(m·K)）配合使用作為EMC 的填料以提高其導熱性能。當填料含量較低時，EMC熱導率升高比較平緩，并且樹脂容易完全覆蓋填料，此時EMC復合材料的熱導率取決于樹脂的熱導率。當填料的體積分數達到70%以上時，EMC的熱導率迅速升高，此時填料顆粒更接近于密集堆積結構，填料之間互相接觸形成導熱路徑。因此，在進行EMC 設計和制造時，填料的含量對于EMC 的導熱、散熱特性十分重要[16]。在實際應用中，為了提高導熱填料的填充量，通常將不同粒徑的填料對EMC進行混合填充，讓小粒徑填料進入大粒徑填料之間，從而進一步提高EMC材料的導熱性能。

（6）高熔體流動性與模塑性。EMC 作為一類典型的有機-無機復合熱固性材料，其物理性能在整個成型過程中一直隨著時間的變化而變化。隨著交聯反應的進行，EMC 的分子量與黏度均在增大，而其僅在黏度較低時才具有較好的流動性。使用熔體流動性較差的EMC 進行封裝時容易產生各種封裝缺陷。尤其是目前EMC 的無機填料質量分數已達到甚至超過90%，在如此高填料含量下如何保持EMC 良好的熔體流動性以及模塑性是一項具有相當高技術難度的課題[17]。

（7）高耐濕性與可靠性。功率電子器件半導體封裝中大量使用Al 等兩性金屬，因此要求EMC 等封裝材料一方面要具有盡可能低的鹵素含量，另一方面還要具有盡可能低的吸濕率，避免潮氣對鋁制焊盤、鍵合線等部件的腐蝕。在實際應用中，EMC要經受恒溫恒濕偏壓試驗（HHBT）、高壓水煮試驗（PCT）、高壓偏壓試驗（PCBT）等可靠性試驗的考核。美國安森美半導體公司的J FAUTY 等[18]提出EMC 要達到濕敏感1 級（MSL1）考核（85℃/85%相對濕度，168 h）的設計水平。例如，基于鄰甲酚醛型環氧樹脂（OCN）與低吸水酚醛固化劑的EMC 可通過MSL1 級考核，而基于OCN 與其他酚醛固化劑的EMC體系均未通過考核。

綜上可知，新型功率半導體器件的廣泛應用對EMC 的綜合性能提出了越來越高的要求，傳統EMC材料的可靠性受到了極大的挑戰，這就要求對EMC 的組成結構進行設計，同時對EMC 在功率電子器件封裝與使用過程中的降解機制進行深入研究，以更好地指導EMC的設計與開發。

1.2 EMC熱降解機理及防護研究進展

德國博世公司的A INAMDAR等[19]考察了汽車電子器件封裝用EMC 的高溫老化行為以及高溫老化對封裝結構熱力學性能的影響。將EMC 分別在170、200、230℃高溫下老化1 500 h，然后考察熱老化后EMC 的微觀形貌以及宏觀力學性能。結果表明，高溫老化后EMC表面出現明顯的氧化層。老化1 000 h 后EMC 的表面微觀形貌如圖3(a)所示。從圖3(a)可以看出，隨著老化溫度的升高，氧化層顏色逐漸加深。此外隨著老化溫度的升高以及老化時間的延長，氧化層的厚度均顯著增大，而且在老化開始后的24 h 內，氧化層的厚度增大最明顯，如圖3(b)所示。老化后EMC 的熱力學性能測試結果顯示，氧化后EMC 的Tg由初始的110℃升高到155℃，Tg以下熱膨脹系數（CTE1）與Tg以上熱膨脹系數（CTE2）分別由初始的11.4×10-6K-1和30.3×10-6K-1下降到老化后的6.5×10-6K-1和20.2×10-6K-1。此外，老化后EMC 的常溫彈性模量（E1）較老化前升高了20%左右。這表明熱老化進一步引發了EMC 內部的交聯反應。需要注意的是這種Tg與模量的升高是限定在一定溫度范圍內的，如果老化溫度進一步升高，交聯網絡可能會發生分解，從而引起Tg與模量的陡降。ZHANG B 等[20]通過光學熒光顯微鏡同樣觀察到了EMC 在175℃空氣環境中表面生成的氧化層以及老化引發的EMC 力學性能下降和封裝收縮等現象。LI R等[21]研究發現EMC 組成結構中，硅微粉的含量會直接影響其彈性模量與Tg，這種影響與EMC 在高溫老化過程中的表面氧化程度以及力學性能的變化等均具有直接關系。由此可見，氧化層的生成以及力學性能的變化均會對EMC 的可靠性產生負面影響。氧化層與EMC 本體在彈性模量、CTE 以及泊松比等參數之間均存在顯著差異，這會導致氧化層與EMC 的本體界面處產生顯著的內應力，進而使EMC 破裂。因此深入探究EMC 的熱老化機理對于提高其在功率電子器件高溫環境中的可靠性具有重要的意義。

圖3 EMC材料在高溫老化過程中的氧化行為Fig.3 Oxidation behavior of EMC materials during high-temperature ageing process

荷蘭NXP半導體公司的A MAVINKURVE等[22]考察了幾類可應用于高溫環境中的EMC，包括EMC A（鄰甲酚醛環氧基，Tg≥150℃）、EMC B（聯苯環氧基，Tg≈120℃）以及EMC C（MAR基，Tg≈130℃）的結構與性能的關系。結果表明，當EMC暴露在高溫空氣中時會發生兩個相互競爭的化學反應。在氧化過程中，一方面氧進入聚合物分子鏈中，生成的基團（如羰基）可與相鄰分子鏈上的H 原子發生反應，脫除水分子后發生交聯反應，導致EMC 交聯密度增大；另一方面氧化也會導致分子鏈斷裂，形成更小的、揮發性更強的分子釋放到空氣中。這兩種反應都會導致聚合物的化學收縮。上述這種氧化行為僅限于EMC材料的外層。然而，交聯也會產生某些積極的效果，例如交聯可以更好地保持EMC的強度，同時可以顯著降低氧氣對EMC本體的進一步滲透。EMC 的這種擴散限制氧化（DLO）效應主要包括兩種過程，即氧氣的擴散以及氧化反應的發生。大氣中的氧氣通過EMC 表面擴散到聚合物材料的多孔網絡中，與EMC 組分發生氧化反應。因此，DLO 效應取決于EMC 材料的透氧性和固有的氧化速率。在溫度較高時，由于氧化反應速率較氧氣滲透具有更高的活化能，DLO 效應會變得更加顯著。力學性能方面，空氣中熱老化會導致EMC內部應力的增大和強度的下降，當內應力超過EMC的強度時，封裝表面就會形成裂紋。E A SULLIVAN[23]采用氣相色譜（GC）、紅外光譜（IR）與質譜（MS）等手段考察了3 種商業化鄰甲酚醛環氧（ECN）/線性酚醛（PN）固化劑型EMC 的高溫老化脫氣行為。結果表明，這3 種EMC 在高溫環境中會揮發出如環氧原料、苯酚衍生物、有機磷酸酯等氣態物質，進而導致EMC失重。

由此可見，EMC 在高溫空氣中的老化以及性能劣化主要是材料的熱老化及熱氧化所造成的。要提高EMC的耐熱穩定性，采用具有良好耐熱穩定性的聚合物基體是十分必要的，這對設計開發功率電子器件封裝用高性能EMC具有重要的指導意義。

1.3 功率電子器件封裝用EMC的組成設計

EMC 一般是由環氧樹脂、酚醛固化劑、球型SiO2微粉（硅微粉）、固化促進劑、偶聯劑、低應力劑、離子捕捉劑、阻燃劑、脫模劑（蠟）、顏料（炭黑）等成分組成[24]。其中，無機物往往具有優良的耐熱性能，對提高EMC 的耐熱穩定性具有積極的作用。影響EMC 耐熱穩定性的主要是有機成分，包括環氧樹脂、酚醛固化劑、固化促進劑以及偶聯劑等。其中，環氧樹脂與酚醛固化劑在EMC中所占比例最高，其在高溫氧化環境中的熱性能直接影響到EMC 本體的耐熱穩定性。

韓國化學技術研究所（KRICT）的Y C KIM等[25]系統考察了EMC 常用環氧樹脂與酚醛樹脂的耐熱穩定性，部分測試結果如圖4 所示。從圖4 可以看出，多芳環（MAR）型樹脂，如苯酚-芳烷基型環氧樹脂（NC-3000、NC-3000H 等）以及酚醛樹脂（MEH-7800SS、MEH-7800M、HE-100C）等具有更好的耐熱穩定性，5%熱失重溫度（T5%）更高，而含萘結構的樹脂，如HP-4770 環氧樹脂以及SN-485 酚醛樹脂也具有較好的耐熱穩定性，T5%超過300℃。相比之下，線性樹脂（H-4、HE-910-C）、含有烷基取代基的樹脂（YX-4000H、CNE-195LL、HP-5000）或者結構中含有脂環鏈節的樹脂（HP-7200）則具有相對較低的耐熱穩定性。值得注意的是，多官能團（MF）樹脂，如EPPN-502H環氧樹脂以及MEH-7500酚醛樹脂也未表現出突出的耐熱穩定性。

圖4 EMC常用樹脂的T5%Fig.4 T5% of EMC common used resins

日本住友化學的K YOSHIDA[26]與Y TANAKA等[10]考察了IC 芯片封裝用EMC 的耐熱穩定性。他們分別考察了5 類常用環氧/酚醛（EP/PF）復合物體系，包括鄰甲酚醛環氧/線性酚醛固化劑體系（OCN/PN）、多芳環環氧樹脂/線性酚醛固化劑體系（MAR/PN）、多官能團環氧樹脂/線性酚醛固化劑體系（MF/PN）、多芳環環氧樹脂/多芳環酚醛固化劑體系（MAR/MAR）以及多官能團環氧樹脂/多官能團酚醛固化劑體系（MF/MF）的結構與耐熱穩定性的關系，其中各體系填料質量分數為85%，模塑條件為175℃/2 min，后固化條件為175℃/4 h。5 類環氧/酚醛（EP/PF）復合物體系的玻璃化轉變溫度（Tg）以及在200℃老化過程中的質量損失情況分別如圖5(a)與5(b)所示。

圖5 常見環氧/酚醛復合物的耐熱穩定性Fig.5 Thermal stability of common EP/PF composites

從圖5 可以看出，環氧/酚醛復合物的Tg與其耐熱穩定性之間不存在直接的對應關系，其Tg從低到高依次為MAR/MAR、MAR/PN、OCN/PN、MF/PN、MF/MF，而在200℃恒溫老化時，殘留率從高到低依次為MAR/MAR、MAR/PN、MF/PN、OCN/PN、MF/MF。由此可見，Tg高的環氧復合物其高溫熱穩定性未必好。MAR/MAR 型樹脂體系在高溫熱老化過程中表現出最高的殘留率，這與其組成結構中較高的芳環含量密切相關。將225℃下老化1 000 h后的MF/MF 與MAR/MAR 樹脂體系的表面以及內部微觀形貌進行了對比，結果如圖6 所示。從圖6 可以看出，熱老化后，在MF/MF 固化物中心區域發現了更多的氣孔。絕緣性能方面，如圖7 所示，熱處理前，高Tg的MF/MF 體系表現出了最高的電氣強度。然而，熱處理后，MF/MF 體系的電氣強度下降幅度最大。

圖6 熱老化前后MF/MF和MAR/MAR復合物的微觀形貌對比Fig.6 Micro-morphologies comparison of the MF/MF and MAR/MAR composites before and after thermal ageing

圖7 熱老化前后環氧/酚醛復合物的電氣強度對比Fig. 7 Electric strength comparison of EP/PF composites before and after thermal ageing

A TEVEROVSKY[27]系統考察了EMC的Tg在商業化塑封元器件應用中的重要性。他對35 種商業化EMC 的Tg進行了測試，并與供應商提供的EMC的最大結點溫度（Tjmax）、最高可靠性評估溫度（Tst）以及最高使用溫度（Top）等進行了對比。測試結果發現，大約有43%的EMC 的Tg低于Tjmax與Tst，有14%的EMC 的Tg低于Top。這說明制造商在研制開發功率電子器件用耐高溫EMC時對于EMC的Tg未過多地加以考慮，也就是說EMC的Tg與其耐熱穩定性之間并不存在直接的對應關系。很多情況下，即使可靠性考核溫度超過EMC的Tg，功率電子器件也未出現封裝失效的現象。K F BECKER 等[28]針對智能功率模塊，包括第一代基于Si 基半導體（考核溫度范圍為-40～175℃；1 000～2 000 個循環）以及未來基于SiC/GaN 半導體（考核溫度范圍為-40～250℃；2 000個循環）器件封裝的應用需求，對EMC 封裝材料的性能提出更高的要求，主要包括：①與各種基板間的高粘附性；②低CTE（CTE1 約為8×10-6K-1）；③耐高溫，可在200、225、250℃結點下溫度工作2 000 h 以上而不發生脆化；④高耐化學穩定性；⑤高絕緣性；⑥環境友好，產品符合RoHS 法案并通過UL94 認證。該研究初步評價了7 種商業化EMC 材料，包括1 種低Tg產品（Tg為140℃）和6 種高Tg產品（Tg為195～230℃）在第一代智能功率模塊封裝中的可靠性。評價結果表明，EMC熱分解溫度的高低與其Tg沒有直接關系。所有EMC 材料在老化過程中Tg均會升高，CTE 有所降低，同時材料發生脆化，在250℃老化時的脆化程度高于220℃老化的情況。這表明高溫下EMC發生了高溫降解，其中分子鏈斷裂、無規重組以及交聯導致了脆性的增大。在7 種EMC 材料中，低Tg的EMC4 與高Tg的EMC7 表現出較高的可靠性。EMC4可作為智能功率模塊封裝的低應力替代品。EMC7在高溫老化后表現出最好的熱力學穩定性，缺點是高溫老化后，抗沖擊性明顯降低。

以上研究結果表明，影響EMC耐熱穩定性的因素主要包括以下4個方面：

（1）組成樹脂的耐熱穩定性。一般而言，環氧樹脂與酚醛固化劑的耐熱穩定性越好，則最終EMC的耐熱穩定性也越好。對于上述樹脂而言，芳環的存在有利于提高樹脂的耐熱穩定性，而脂肪（環）基團、羥基的存在則會降低樹脂的耐熱穩定性。

（2）Tg值。提高Tg值是改善EMC高溫穩定性的必要而非充分條件，也就是說Tg值較低的EMC體系其耐熱穩定性未必差，但EMC要可靠地應用于高溫環境中，高Tg值也是十分必要的。

（3）交聯密度。提高EMC分子鏈的交聯密度有助于提高其耐熱穩定性。

（4）填料含量。EMC 在高溫下的氧化程度與其填料含量呈現負相關關系，在保障EMC加工性能的前提下提高填料含量有助于提高其耐熱穩定性。

由此可以推斷，開發新型耐熱EMC材料主要有以下3種途徑：

（1）設計開發新型環氧與酚醛樹脂。針對目前標準型MAR 樹脂低熱失重、自熄，但Tg偏低，而標準型MF 樹脂Tg高，但熱失重大、易于燃燒等性能缺陷，新樹脂應具有高Tg、本征阻燃、低熱失重、低熔體黏度以及高相對漏電起痕指數（CTI）等特性。

（2）導入新型耐熱型樹脂。傳統耐高溫樹脂由于其自身或多或少地存在加工性能等方面的缺陷，因此難以直接應用于功率電子器件封裝中。需要研發適用于目前封裝工藝應用需求的耐高溫樹脂，并與EMC 進行結合，取長補短，從而研制開發出高性能封裝材料。

（3）設計開發新型填料。新型填料一方面應具有良好的球形度和適宜的粒徑分布，以保障良好的分散性，另一方面應具有高導熱性能，以提高EMC的導熱特性。

2 耐高溫環氧塑封料的研究進展

由前文可知，為了更可靠地應用于高溫環境中，EMC 具有較高的Tg值是十分必要的。EMC 的Tg值受多方面因素的影響，包括樹脂的分子鏈剛性與分子量、填料含量等。研究表明，在樹脂結構中引入一定含量的芳香族萘環或芴環等具有較強共軛結構以及龐大自由體積的基團可有效提高環氧固化物的Tg。表1 給出了目前常見商業化MAR 型與含萘型環氧樹脂與酚醛固化劑的典型化學結構與性能。

表1 常見商業化MAR型與含萘型樹脂的化學結構以及典型性能Tab.1 Typical chemical structures and properties of commercially available MAR and naphthalene-containing resins

YAO Y 等[29]綜述了功率電子器件封裝用耐高溫聚合物材料，包括PI、BMI、CE樹脂以及含萘型環氧樹脂的研究進展。對于大多數常規環氧樹脂材料而言，其固化物的Tg通常低于200℃，因此難以應用于功率電子器件封裝中。對于環氧樹脂而言，提高其Tg的方法主要是引入剛性結構，如苯環、萘環、芴環等。圖8 給出了含萘型環氧樹脂（NE）與常規雙酚A 型環氧樹脂（DGEBA）固化物的DMA 曲線。從圖8 可以看出，含萘型環氧樹脂/4,4?-二胺基二苯砜（DDS）型固化物的Tg最高可達262.5℃（NE0.67/DDS體系，其中0.67代表NE和DGEBA的質量比為2∶1），而雙酚A 環氧樹脂/DDS 固化物的Tg僅為200.4℃。另外，值得關注的是，3種不同環氧體系固化物的Tg從高到低依次為NE0.67/DDS、NE0.50/DDS、NE0.80/DDS，由此可見并不是NE 樹脂含量越高，固化物的Tg越高。這可能是由于過高含量的萘結構會降低固化物的交聯密度，進而導致Tg下降。

圖8 含萘型環氧固化物的DMA譜圖Fig.8 DMA spectra of naphthalene-containing epoxy thermosets

日本日立公司的T ISHII 等[30]報道了汽車系統用封裝材料的開發狀況。日立公司針對汽車功率器件封裝對耐高電壓特性的應用需求，提出了將有機化處理的云母引入環氧封裝材料中，利用云母特殊的層狀結構來增強復合材料的耐電擊穿能力。此外，針對功率電子器件封裝材料對耐高溫特性的需求，研制開發了一系列含萘型環氧樹脂，包括雙官能團萘型環氧樹脂（2FG）以及三官能團（3FG）、四官能團（4FG）和六官能團（6FG）環氧樹脂等，并對其進行動態機械分析（DMA）。結果表明，含萘型環氧樹脂固化物的Tg較常規的雙酚A 型環氧樹脂固化物有了大幅提高，而且隨著環氧樹脂分子結構中環氧官能團數量的增加，其固化物的Tg也隨之升高。6FG 環氧樹脂固化物在300℃之前未觀察到明顯的玻璃化轉變。由此可見，通過引入萘型結構，即增加環氧樹脂單一分子結構中芳香環的含量來提高封裝材料的耐熱穩定性是可行的。

3 結束語

以新能源汽車等為代表的終端應用的迫切需求為功率電子器件的發展帶來了新機遇，基于SiC、GaN 等材料的第三代半導體功率電子器件的蓬勃發展又極大地推動了有機耐高溫電子封裝材料的研究與開發。可應用于功率電子器件封裝的環氧塑封料在提升傳統EMC 耐高溫穩定性的同時還要兼顧材料的高熔體流動性、高無機填充性、高模塑性、高固化性、低翹曲性以及高可靠性等工藝特性，因此其研究與開發是一項頗具挑戰性的課題。

目前，國內外針對耐高溫EMC的研發主要集中在耐高溫環氧與酚醛樹脂的開發方面，對傳統耐高溫樹脂進行改性也是一個重要的發展方向。此外，伴隨著第五代（5G）移動通訊技術、人工智能（AI）、可穿戴電子、柔性電子等技術的發展，對功率電子器件封裝用耐高溫EMC的介電性能、力學性能等還會提出更高的要求。因此，特種EMC的發展前景十分廣闊。希望國內相關產學研機構可以加強該領域的合作交流，以便早日實現功率器件封裝用耐高溫EMC材料的國產化。