電子元器件用導(dǎo)熱絕緣封裝膠粘材料特性分析

導(dǎo)熱絕緣材料指的是一種具備絕緣和導(dǎo)熱性能的材料，電阻率大于１０１０Ω·ｍ。但是為高導(dǎo)熱絕緣材料進(jìn)行定義，并沒有明確的界限，在不同應(yīng)用場合對于導(dǎo)熱性能好壞定義具有一定的差別。比如，導(dǎo)熱絕緣材料在電力電子器件中使用的時候，對于聚合物、陶瓷等不同類型基板，導(dǎo)熱性能的優(yōu)良性定義各有不同?？傮w來說，陶瓷基板導(dǎo)熱性能比聚合物基板要好。

１ 導(dǎo)熱絕緣材料的物理基礎(chǔ)特性

功率半導(dǎo)體模塊能夠?qū)崿F(xiàn)電能控制與轉(zhuǎn)換，為節(jié)能減排核心技術(shù)和基礎(chǔ)器件，在新能源、輸配電、軌道交通和電動汽車等領(lǐng)域使用。功率模塊封裝技術(shù)為集材料性能研究與應(yīng)用為一體的綜合性學(xué)科，封裝材料因?yàn)楣β誓K封裝方式多樣化而不同。通過材料種類劃分為無機(jī)材料和有機(jī)材料，無機(jī)封裝材料包括水凝膠陶瓷、玻璃等因?yàn)闊Y(jié)溫度過高導(dǎo)致應(yīng)用比較少；有機(jī)封裝材料包括環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅等高分子材料，在功率模塊中使用范圍比較廣。絕緣柵雙極晶體管（ＩＧＢＴ）的主要特點(diǎn)為尺寸小、通態(tài)電流大、導(dǎo)通電壓低等，ＩＧＢＴ模塊根據(jù)封裝形式的不同分為焊接式和壓接式。

根據(jù)熱動力學(xué)說，熱指的是通過電子、原子和分子等構(gòu)成的轉(zhuǎn)動、移動和振動的熱量。所以，物質(zhì)導(dǎo)熱機(jī)理和構(gòu)成物質(zhì)的微觀粒子運(yùn)動具有密切關(guān)系。固體內(nèi)部導(dǎo)熱載體包括聲子、光子和電子，因?yàn)殡娮幼陨砭邆涞碾姾桑娮舆w移中具有大量能量，導(dǎo)熱率比較高。但是導(dǎo)電體沒有絕緣性能，不能夠在絕緣材料制備中應(yīng)用。因?yàn)楣庾訜醾鲗?dǎo)作用材料要具備投射性，只能夠應(yīng)用特殊玻璃或者單晶體，沒有普遍意義。普通固體材料通過聲子出現(xiàn)導(dǎo)熱作用，比如金屬氧化物和無機(jī)非金屬材料，此物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)有序性會使聲子平均自由程要大。

導(dǎo)熱絕緣高分子材料包括非晶體和晶體２種，通過導(dǎo)熱機(jī)理分析，晶體導(dǎo)熱機(jī)理為晶粒熱振動，利用聲子概念描述；非晶體導(dǎo)熱機(jī)理是根據(jù)無規(guī)律排列分子或者原子根據(jù)固定位置做熱振動使能量對原子和分子傳遞。因?yàn)榉蔷w能夠作為細(xì)晶粒的晶體，還能夠作為聲子對導(dǎo)熱進(jìn)行分析。高分子材料自身的結(jié)晶度并不高，并且結(jié)晶不完整，晶格和分子的樹脂界面、非諧性振動和缺陷等情況導(dǎo)致聲子散射，從而降低了聚合物導(dǎo)熱系數(shù)。
要想制備高導(dǎo)熱聚合物分子，通過結(jié)構(gòu)方面分析，高聚物分子具備完善結(jié)晶取向結(jié)構(gòu)和共軛結(jié)構(gòu)。但是，導(dǎo)熱高分子加工工藝比較復(fù)雜，無法實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。所以，根據(jù)近代固體物理熱傳導(dǎo)理論，將具有較高導(dǎo)熱率的填料摻雜在聚合物基體材料中，從而制得導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料。

針對填充型導(dǎo)熱聚合物基材料，導(dǎo)熱系數(shù)和聚合物數(shù)值基體相關(guān)。在樹脂中分散的導(dǎo)熱填料包括纖維狀、粒狀和片狀等形狀，在填料添加量比較低的時候，通過孤立方式存在于聚合物基體中。此時，連續(xù)性為聚合物基體，填料被聚合物集體包覆，和聚合物共混體系的海島兩相體系結(jié)構(gòu)類似。但是，在填料添加量超過閾值的時候，填料或者聚集體會接觸局部導(dǎo)熱鏈通過復(fù)合材料構(gòu)成。如果增加填料量，局部導(dǎo)熱網(wǎng)和導(dǎo)熱鏈相互貫穿，構(gòu)成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，提高填充復(fù)合材料導(dǎo)熱性能。在導(dǎo)熱填料添加量得到特定值的時候，顆粒能夠相互的接觸，構(gòu)成通路，為高聚合物從熱不良導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)榱紝?dǎo)體。此轉(zhuǎn)變指的是逾滲，和其相關(guān)的理論能夠應(yīng)用在填充型導(dǎo)熱負(fù)荷材料中；表１為導(dǎo)熱聚合物材料的關(guān)鍵性能指標(biāo)。

２ 有機(jī)硅材料特性分析

有機(jī)硅材料屬于可靠、穩(wěn)定的高分子材料，主要作用為灌封與導(dǎo)熱。有機(jī)硅凝膠為固體和液體２種相態(tài)的固液共存的特殊硅橡膠，質(zhì)地柔軟，并不會對電子芯片造成機(jī)械應(yīng)力。即便是在－５０～２００℃的條件下，柔軟性能不會發(fā)生改變，能夠?qū)Γ桑牵拢孕酒苊鉂駳馇治g，實(shí)現(xiàn)減震、防塵、防潮、絕緣等效果。有機(jī)硅凝膠種類比較多，反應(yīng)類型包括縮合型和加成型。縮合型有機(jī)硅膠的自修復(fù)性和粘接性，在反應(yīng)過程中存在小分子物質(zhì)，收縮率比較大，無法實(shí)現(xiàn)功率半導(dǎo)體封裝。加成型有機(jī)硅凝膠通過貴金屬催化劑、含氫硅油和乙烯基硅油等構(gòu)成，反應(yīng)過程就是活性氫和乙烯基的加成反應(yīng)，沒有副作用和收縮。所以，在ＩＧＢＴ模塊封裝過程中使用加成型有機(jī)硅凝膠。

普通線性聚二甲基硅氧烷凝膠存儲在１７５℃以上的環(huán)境中超過１０００ｈ比較脆，降低介電性能和力學(xué)性能。普通有機(jī)硅凝膠存儲在２００℃環(huán)境中會開裂和黃變，降低了材料性能，這是因?yàn)橛袡C(jī)硅凝膠純度不足導(dǎo)致，出現(xiàn)此種情況是受制備工藝和原材料純度等影響所致。過高的離子含量有機(jī)硅凝膠在長時間的高電場和高溫環(huán)境下會出現(xiàn)硬化、黃變和金屬離子遷移等情況，對ＩＧＢＴ模塊可靠性造成影響。所以，要重視有機(jī)硅凝膠。瓦克所開發(fā)的超純度有機(jī)硅凝膠總殘余離子含量不超過２×１０－６，在ＩＧＢＴ模塊封裝方式不斷發(fā)展的過程中，對有機(jī)硅凝膠在封裝中的使用提出了一定的要求，有機(jī)硅凝膠的耐高溫性、高純度與高階電性為發(fā)展主要方向。

３ 環(huán)氧塑封材料特性分析

環(huán)氧塑封材料能夠?qū)﹄娐穬?nèi)部芯片進(jìn)行保護(hù)，避免外界環(huán)境影響到芯片，所以使用熱導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度比較高。通過構(gòu)成方面分析，封裝材料包括塑料、陶瓷和金屬等，塑料封裝材料占據(jù)９５％左右。塑封材料重點(diǎn)為環(huán)氧樹脂，在汽車行業(yè)、航空航天和電力電子方面廣泛使用。

環(huán)氧塑封材料指的是高分子復(fù)合材料，將環(huán)氧樹脂作為機(jī)體，使固化促進(jìn)劑、固化劑、填充劑等根據(jù)一定比例利用適當(dāng)工藝混合成為環(huán)氧模塑料。環(huán)氧樹脂的主要性能為具備良好粘接性，和大部分物質(zhì)都具備良好粘附性；具有良好收縮性，通過交聯(lián)固化并不會產(chǎn)生小分子副產(chǎn)物；交聯(lián)后構(gòu)成三維立體結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能良好。國外環(huán)氧樹脂塑料產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較早，并且產(chǎn)品大部分都處于高端的位置。我國環(huán)氧樹脂產(chǎn)業(yè)的起步比較晚，目前出現(xiàn)了大批全新的環(huán)氧樹脂產(chǎn)業(yè)。環(huán)氧塑封材料具備剛性特性和熱膨脹系數(shù)的特點(diǎn)，并且耐溫性能有限，所以中低壓ＭＯＳＦＥＴ電力電子模塊被廣泛使用。

４ 環(huán)氧灌封膠特性分析

在ＩＧＢＴ模塊運(yùn)行的過程中會受到高潮濕、沖擊、機(jī)械振動等不利因素的影響，所以要求環(huán)氧灌封膠的抗沖擊性、硬度和吸水率可靠性良好。熱失效會導(dǎo)致ＩＧＢＴ失效，所以要對ＩＧＢＴ封裝材料熱性能進(jìn)行重視。環(huán)氧樹脂和固化物交聯(lián)密度、分子量等都會對分子鏈段運(yùn)動造成阻礙，影響到灌封膠的熱穩(wěn)定性。圖１為不同環(huán)氧灌封膠熱失重分析曲線，通過ＴＧＡ曲線對比起始分解溫度和不同溫度殘留率。通過對比分析，２號環(huán)氧灌封膠的耐熱性良好。

此環(huán)氧灌封膠樹脂類型指的是低粘度脂環(huán)族環(huán)氧樹脂，固化劑為甲基六氫苯酐的促進(jìn)劑。通過ＴＭＡ測試結(jié)果表示，此環(huán)氧灌封膠使用大分子鏈的酚醛樹脂，分子柔性比較大。

溫度變化會使環(huán)氧灌封膠體開裂，從而影響到封裝結(jié)果。所以，環(huán)氧灌封膠溫度性能對于ＩＧＢＴ模塊的影響是最大的。使用的環(huán)氧灌封膠能夠通過高溫存儲測試，具有較大的ＣＴＥ值，通過溫度循環(huán)和低溫存儲后脫離外殼和膠體，封裝失效，說明耐高溫下的環(huán)氧灌封膠出現(xiàn)問題，所以要對其應(yīng)用、種類和氧含量進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

５ 結(jié)語

電力電子器件朝著高電壓、高溫度的方向發(fā)展， 促進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)朝著微型化、高功率密度化的方向發(fā)展，對于封裝材料的要求比較高。為了使電力電子封裝材料應(yīng)用效果得到提高，在此方面要加大投入，針對材料性能和自身分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)機(jī)制 的創(chuàng)建，從而開發(fā)耐高溫、導(dǎo)熱性的材料，促進(jìn)電力電子器件朝著高溫工作方向發(fā)展。

來源：粘接２０２３年 １１ 月第 ５０ 卷第 １１ 期

作者：戴曉非 國網(wǎng)新疆電力有限公司 阿克蘇供電公司

審核編輯：劉清