摘要：为了评价国产硅凝胶在绝缘栅双极型晶体管（IGBT）功率模块封装中的应用，选取了三种国产硅凝胶进行综合性能比较，包括固化前的外观、密度、粘度、混合比和凝胶时间，比较了固化后的绝缘性能、透油性、阻尼性、附着力以及200℃耐高温等性能。分析了三种硅胶样品的差异，并分别用它们封装了IGBT功率模块，并对封装后的模块进行了测试。温度循环测试。 结果表明，硅凝胶的初始粘度和混合比例对包装工艺和包装设备有影响。 固化后的锥入度、绝缘性能、透油性能、阻尼性能、附着力等性能对硅凝胶模型的性能都有影响。 选拔具有指导作用。 耐高温性和耐温度循环性是评价样品是否可用于IGBT功率模块封装的重要指标。
0 前言
功率半导体是功率控制和转换的关键元件。 它们是将“粗功率”转化为“精细功率”的核心电子元件。 它们被称为电力处理的“心脏”，是实现“双碳”标准的基础和关键技术之一。 1、广泛应用于高速铁路、输配电、新能源电动汽车、风电/光伏发电、白色家电、航空航天等领域。 功率半导体封装是集材料应用和性能研究于一体的综合技术。 涉及的封装材料按材料种类可分为金属材料（主要包括铝线、铜线、金属电源端子等）、无机非金属材料。 （主要包括氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷等）和有机材料（如硅胶、环氧树脂、聚酰胺、聚酰亚胺等）。 其中，有机封装材料在封装中的作用是绝缘和保护，对于提高组件可靠性和绝缘性能具有重要作用。 广泛应用于功率半导体封装。
绝缘栅双极晶体管（IGBT）具有控制速度快、导通电压低、通态电流大的特点。 它是当前应用中最重要的功率半导体器件。 IGBT按封装形式分为单管和模块两大类。 模块因封装形式的不同，可分为焊接式和压接式封装。 压接式模块中的主要绝缘保护是陶瓷材料。 这里我就不详细说了； 焊接模块主要采用硅胶和环氧灌封胶进行封装，不仅可以提高IGBT功率模块的绝缘能力和防潮防污能力，而且可以提高模块的耐环境性和可靠性，延长模块的使用寿命。
硅胶是一种“固液共存”的特种硅橡胶，有“液”和“固”两个相。 其杨氏模量极小，具有高弹性、低应力的特点。 同时，由于分子结构中同时含有“有机基团”和“无机结构”，综合了有机和无机物质的功能特性。 具有良好的耐温性、耐候性和绝缘性，非常适合在功率半导体中使用。 模块封装。 然而，随着碳化硅模块封装等第三代半导体材料的技术发展，传统的硅胶在耐热、绝缘、防潮等方面已不再满足要求。 模块过热、失效等故障案例屡见不鲜。 国外瓦克、陶西、迈图等公司均开展了新一代耐高温、高绝缘硅凝胶的开发和应用研究，并推出了相应产品。 国内也有相应的材料开发公司参与该类产品的开发。 。 本文对三种国产耐高温硅凝胶的基本性能、透油性、耐热性进行对比测试，并对封装后的组件进行模块封装及温度循环测试，以期为国产耐高温硅凝胶提供参考。 IGBT 和碳化应用中的耐腐蚀硅胶。 在硅片等功率模块中的应用提供了一定的应用研究经验。
1个实验
1.1 实验材料及使用技术
选取三种国产硅凝胶作为研究对象，分别标记为1#、2#、3#。 其中，1#样品A、B组分按质量比1:1混合，混合均匀，真空脱泡，按照推荐固化工艺：100℃/1h+150℃/1h固化。 2#样品A、B组分按质量比1:1混合，混合均匀，真空脱气，按照推荐固化工艺：70℃/1h+100℃/1h固化。 将3#样品的A、B组分按质量比10:1混合。 混合均匀后，按照推荐固化工艺真空脱气固化：100℃/1h+150℃/0.5h。 。
1.2 性能测试
粘度按照GB/T 2794-2013测定，采用上海精密仪器有限公司NDJ-5S旋转粘度计。密度按照GB/T 15223-2008采用比重瓶法测定。 锥入度测试采用上海昌吉地质仪器公司SYD-2801E锥入度测试仪，1/4锥体，按GB/T 269-1991进行测试。 电气强度采用桂林电机研究所有限公司ZHT-10/50电气击穿测试仪按照GB/T 1408.1-2006进行测试； 体积电阻率采用日本HIOKI公司高阻计按照GB/T 1692-2008进行测试。 。 介电常数和介电损耗因数采用上海精密科学仪器有限公司QS37介电损耗测试仪按照GB/T 1409-2006进行测试。TGA分析采用 TGA1(SF)热重分析仪在空气中进行温度范围为 100 至 720°C，加热速率为 5°C/min。 阻尼和附着力采用美国公司CT3质构仪按照GB/T 16860-1997进行测试。 变形值设置为5 mm，触发点设置值为3 g，测试前速度为1 mm/s，测试速度为1 mm/s，测试后速度为4.5 mm/s，保持60秒后探头回到起始点。 组件温度循环试验按照GB/T 2423.2-2008进行。 最低温度为-40℃，最高温度为150℃，每个限值为0.5 h，传输时间小于30 s。
2结果与讨论
2.1 固化前硅凝胶的基本性能
三类有机硅凝胶在固化前的基本特性主要包括外观、密度、混合比、粘度和凝胶时间等基本参数，如表1所示。表1中的参数决定了有机硅凝胶的使用工艺和包装设备的工艺要求。 它们也是样品选择的最重要的工艺参数。
从表1可以看出，虽然不同厂家的硅凝胶配方设计存在差异，但固化前3个样品的外观和密度差别不大。 这是因为用于封装IGBT功率模块的硅胶是加成聚合的。 其主要成分为含氢硅油和乙烯基硅油，并配以贵金属催化剂、增粘剂等添加剂。 但由于所选有机硅树脂和添加剂的差异，各种样品的粘度和混合比例差异很大。 1#样品采用苯基硅油制备，初始粘度较高，封装工艺测试发现脱气性能也较差。 ，需多次抽真空脱泡才能完全消泡； 2#样品粘度较小，A、B组份混合质量比为1:1，满足目前主流市场的技术要求，具有良好的自消泡性能。 ，应用技术优势更加明显； 3#样品脱泡性能优良，但其混合质量比为10:1，包装设备需要升级。 由于粘度和脱气性能的差异，三类硅凝胶会有不同的包装设备和工艺条件。 样本的选择需要综合考虑。
2.2 硅凝胶固化后的性能
硅凝胶固化后的性能包括固化物的基本性能、透油性、阻尼性、附着力和耐温度循环性。
2.2.1 硅凝胶固化后的基本性能
由于IGBT功率模块的使用环境比较复杂，可能存在高电压、大电流、机械冲击、振动和高湿度等情况。 用于封装的硅胶要求具有高绝缘性、良好的阻尼性以及与其他材料优异的粘合性。 三种硅凝胶固化后的初始锥入度和绝缘性能如表2所示。
结合表1和表2的测试数据可以发现，虽然1#和2#样品固化前的混合粘度差异较大，但固化后的锥入度几乎相同。 1#固化物的电气强度达到33kV/mm。 其抗压能力更有优势； 由于其独特的配方体系，3#固化物在保持较低混合粘度的同时，具有优异的绝缘性能，但其初始锥入度较小，样品显得较硬。 特征。 三个样品的性能差异较大，需要进一步分析以明确其在IGBT功率模块中的应用。
2.2.2 硅凝胶的透油性
硅胶的“渗油”现象本质上是指未交联的硅油或小分子物质向外扩散，进入不同界面或其他材料的现象。 目前使用的硅胶中漏油现象很常见。 漏油会影响硅胶的附着力，导致其与模块内部其他材料分离，对IGBT功率模块的绝缘和可靠性产生较大影响。 因此，评价硅胶的漏油情况非常重要。 必要的。 硅胶的透油性评价方法是用定性滤纸进行测试。 具体操作如下：将硅胶填充到铝箔盒中并固化，剪掉边缘，倒置在一张定性滤纸的中央，置于室温下。 存放一段时间后，观察硅胶渗油的距离。 图1为三类固化物的透油率实验图。 油渗透距离如表3所示。
从图1和表3可以看出，三个样品由于制备工艺控制和原料纯度的差异，其渗油性能差异较大。 其中2#样品渗油距离最大，1#样品次之。 3#样品的渗油距离最小。 可以从原料纯度控制、配方设计等方面考虑提高硅凝胶的透油性。
2.2.3 硅胶耐热性评价
热效应是IGBT功率模块失效的主要原因之一。 对于材料来说，主要从热应力影响和热老化分解两个方面进行分析。 硅胶的热膨胀系数（CTE）约为310×10-6℃-1，但其杨氏模量仅为0.005 MPa左右。 温度升高引起的热应力是CTE值和杨氏模量的乘积。 ，因此其热应力极小。 换句话说，硅胶中的温度引起的热应力对封装模块的影响很小。 因此，硅凝胶热性能的评价主要考虑其耐热老化性能。 传统的IGBT模块封装用硅胶要求适用温度为-40℃至125℃。 但在特殊领域，如轨道牵引系统中的功率模块应用，由于开关功率大、频率高，模块部分区域的温度会超过200℃。 对硅胶的耐高温要求提高； 随着以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体材料的发展，芯片结温已达到175℃，远远超过硅基芯片125℃的结温要求。 ，因此对于硅胶的耐高温性能，采用200℃作为评价条件。 本研究中的三类硅凝胶在200℃老化前后的外观、锥入度、阻尼和附着力的变化进行横向比较，分析样品之间的差异。
硅胶外观的变化是指颜色和形态的变化，其中泛黄多见于IGBT模块封装。 泛黄是由于硅胶分子在高温下发生分解，特别是N元素价态发生变化，导致硅胶呈现颜色变深。 图2为三种硅胶样品在200℃高温老化1000h前后的外观对比照片。
从图2可以看出，经过高温老化后，三个样品的颜色都发生了一定程度的变化。 其中1#、3#样品泛黄较为明显。 2#样品经过200℃高温老化后颜色有一定程度加深。 相反，它变得更轻了。 推测可能是由于催化促进系统的差异所致。 不同的催化剂会呈现不同的颜色。 然而，三个样品均未出现收缩或开裂等其他问题。 初步判断，这三个样品都很可能满足大功率IGBT模块的封装要求。
锥入度是衡量材料软硬度的重要参数。 锥入度越大，材料越软，反之亦然。 因此，锥入度可以测试样品在高温下硬度的变化情况，从侧面反映样品的耐高温性能。 三种硅凝胶样品在200℃老化1000 h过程中锥入度变化如图3所示。从图3中可以看出，随着老化时间的增加，样品1#和1#的锥入度曲线3#样品变化平稳，2#样品锥入度明显增加，但均呈现增加趋势。 与未老化样品相比，老化1 000 h后3个样品的锥入度变化率分别为13.6%、46.6%和41.3%。 可以看出，1#样品的耐热性最好，3#样品的耐热性最好。 初始锥入度更小且更敏感。
为了进一步研究三种有机硅凝胶的耐热性，对固化样品进行了TGA分析。 结果如图4所示。
从图4可以看出，三个硅凝胶样品的整体耐热性都比较高，初始热分解温度都在300℃以上。 但超过350℃后，2#样品出现了较为明显的失重。 结合透油率测试结果可以推断，2#样品中含有较多的低分子量硅油，导致透油率和耐热性较差，直接影响固化物的性能； 1#和3#样品的耐热性相对优异，与之前200℃高温老化后的外观和锥入度变化率评价结果基本一致。
硅凝胶的阻尼性能和粘附性能是表征其性能的两个重要参数。 一般采用质构仪进行测试。 具体测试过程为：设定探头原始位置和样品刺穿位置。 到达设定位置后，稳定一段时间，然后返回原位。 探针上的力将随着位移而变化。 纹理曲线。 不同的硅胶样品会产生不同的纹理曲线。 通过测试硅胶高温老化前后的阻尼性能和粘合性能，可以比较硅胶的耐高温性能。 图5为三种硅凝胶样品在200℃高温老化1000h前后的织构曲线对比。
从图5可以发现，硅胶样品的保压压力（探针稳定样品固定位置所施加的压力）存在显着差异，体现出不同的特性。 由于高温对交联度和分子结构的影响，所有样品的保压压力在高温老化后均有所下降，表明高温老化后样品的弹性下降，这与前述测试一致锥入度结果； 其中，2#样品老化前后的阻尼峰值很小，阻尼性能较差。 推测可能是由于其原料为侧链乙烯基硅油所致[5]。 为了进一步分析高温对硅胶样品的影响，老化前后样品的阻尼峰下降和附着力峰值列于表4中。
对比表4中的数值，发现老化前后样品3#的阻尼优于其他两个样品，说明样品3#具有良好的缓冲和保护效果，对IGBT更加有利模块封装。 2#样品老化前阻尼和附着力较低，但高温老化后变化率最小。 1#样品在高温老化前后均具有优异的附着力，但3#样品在高温老化后附着力变化最为明显，甚至超过初始附着力，可有效防止硅胶与芯片相互作用，高温下的基板和芯片。 衬板等模块内部材料的脱离有利于提高IGBT模块在高温下工作的可靠性。
2.3 硅胶在IGBT模块封装中的应用
为了分析三种有机硅凝胶在IGBT功率模块上的应用，分别对它们进行了封装实验。 封装实验选择了更具代表性的模组封装形式，灌封尺寸约为110.0 mm×57.5 mm×17.0 mm。 工艺流程分为4步：①严格按照质量比称取硅胶样品的A、B组份，混合均匀； ②将样品在负压（<）下快速脱气5分钟，缓慢倒入准备好的模块中； ③将模块在负压（<1 100 Pa）下快速脱气3分钟，泄压至常压，再次在负压下快速脱气。 重复此循环 2 到 3 次以完成该模块。 消泡； ④ 按要求固化后，取出模组，完成封装。
由于温度变化可能会导致硅胶破裂、起泡、与模组外壳脱离等现象，对模组封装造成很大影响，因此对封装后的模组进行温度循环测试，评估其耐温度循环性能。 温度循环测试条件为-40℃~150℃，每个极限值保持0.5h，转移时间小于30s，完成1000次循环测试。 图6为三种硅胶样品封装的IGBT功率模块温度循环测试前后对比照片。 从图6可以看出，1#和3#样品封装的组件经过1000次温度循环测试后，没有出现破裂、起泡、脱落等情况，通过了温度循环测试； 2#样品在温度循环试验后出现开裂迹象。 出现了鼓泡、开裂现象，无法通过温度循环测试，说明2#样品在抗环境温度变化方面仍有待提高，可能还需要进一步调整和优化。 另外，所有模块经过温度循环测试后，氧化铝陶瓷背板（DBC）的电路铜层颜色有所加深，属于正常现象。
3结论
对三种国产硅凝胶进行分析比较，发现它们的初始粘度、混合比、锥入度、透油率、阻尼和附着力等方面存在较大差异。 1#样品具有优异的阻尼性、附着性、绝缘性、耐高温性和耐温度循环性，但初始粘度过高，透油性和加工性有待提高。 2#样品初始粘度较低，加工性能良好，但透油性较差，阻尼和附着力较差。 温度循环试验后，出现鼓泡、开裂现象。 无法满足模块封装要求，需要进一步优化。 。 3#样品初始粘度低，阻尼性好，附着力好，耐高温，耐温度循环。 它还具有较低的透油性和相对均衡的综合性能，但其加工性能还可以进一步优化和调整。 。 另外，硅胶在IGBT功率模块中的验证需要从材料的基本性能出发，结合应用工艺和后期封装模块验证综合考虑。 验证周期长。 如何建立有效的材料选择机制，打造高效的实验验证平台也是需要解决的重要问题。
作者简介：
男，理工科，湖南株洲人，汉族，高级工程师。 长期从事功率半导体封装高分子材料的研发工作。
曾就职于中车、中国化工集团等公司。