電子元器件用導熱絕緣封裝膠粘材料特性分析

導熱絕緣材料指的是一種具備絕緣和導熱性能的材料，電阻率大于１０１０Ω·ｍ。但是為高導熱絕緣材料進行定義，并沒有明確的界限，在不同應用場合對于導熱性能好壞定義具有一定的差別。比如，導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，導熱性能的優(yōu)良性定義各有不同?？傮w來說，陶瓷基板導熱性能比聚合物基板要好。

１ 導熱絕緣材料的物理基礎特性

功率半導體模塊能夠實現(xiàn)電能控制與轉換，為節(jié)能減排核心技術和基礎器件，在新能源、輸配電、軌道交通和電動汽車等領域使用。功率模塊封裝技術為集材料性能研究與應用為一體的綜合性學科，封裝材料因為功率模塊封裝方式多樣化而不同。通過材料種類劃分為無機材料和有機材料，無機封裝材料包括水凝膠陶瓷、玻璃等因為燒結溫度過高導致應用比較少；有機封裝材料包括環(huán)氧樹脂、有機硅等高分子材料，在功率模塊中使用范圍比較廣。絕緣柵雙極晶體管（ＩＧＢＴ）的主要特點為尺寸小、通態(tài)電流大、導通電壓低等，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)熱動力學說，熱指的是通過電子、原子和分子等構成的轉動、移動和振動的熱量。所以，物質導熱機理和構成物質的微觀粒子運動具有密切關系。固體內部導熱載體包括聲子、光子和電子，因為電子自身具備的電荷，電子遷移中具有大量能量，導熱率比較高。但是導電體沒有絕緣性能，不能夠在絕緣材料制備中應用。因為光子熱傳導作用材料要具備投射性，只能夠應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)導熱作用，比如金屬氧化物和無機非金屬材料，此物質晶體結構有序性會使聲子平均自由程要大。

導熱絕緣高分子材料包括非晶體和晶體２種，通過導熱機理分析，晶體導熱機理為晶粒熱振動，利用聲子概念描述；非晶體導熱機理是根據(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。因為非晶體能夠作為細晶粒的晶體，還能夠作為聲子對導熱進行分析。高分子材料自身的結晶度并不高，并且結晶不完整，晶格和分子的樹脂界面、非諧性振動和缺陷等情況導致聲子散射，從而降低了聚合物導熱系數(shù)。
要想制備高導熱聚合物分子，通過結構方面分析，高聚物分子具備完善結晶取向結構和共軛結構。但是，導熱高分子加工工藝比較復雜，無法實現(xiàn)規(guī)?；a。所以，根據(jù)近代固體物理熱傳導理論，將具有較高導熱率的填料摻雜在聚合物基體材料中，從而制得導熱聚合物基復合材料。

針對填充型導熱聚合物基材料，導熱系數(shù)和聚合物數(shù)值基體相關。在樹脂中分散的導熱填料包括纖維狀、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構類似。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熱鏈通過復合材料構成。如果增加填料量，局部導熱網和導熱鏈相互貫穿，構成導熱網絡，提高填充復合材料導熱性能。在導熱填料添加量得到特定值的時候，顆粒能夠相互的接觸，構成通路，為高聚合物從熱不良導體轉變?yōu)榱紝w。此轉變指的是逾滲，和其相關的理論能夠應用在填充型導熱負荷材料中；表１為導熱聚合物材料的關鍵性能指標。

２ 有機硅材料特性分析

有機硅材料屬于可靠、穩(wěn)定的高分子材料，主要作用為灌封與導熱。有機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，質地柔軟，并不會對電子芯片造成機械應力。即便是在－５０～２００℃的條件下，柔軟性能不會發(fā)生改變，能夠對ＩＧＢＴ芯片避免濕氣侵蝕，實現(xiàn)減震、防塵、防潮、絕緣等效果。有機硅凝膠種類比較多，反應類型包括縮合型和加成型?？s合型有機硅膠的自修復性和粘接性，在反應過程中存在小分子物質，收縮率比較大，無法實現(xiàn)功率半導體封裝。加成型有機硅凝膠通過貴金屬催化劑、含氫硅油和乙烯基硅油等構成，反應過程就是活性氫和乙烯基的加成反應，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性能。普通有機硅凝膠存儲在２００℃環(huán)境中會開裂和黃變，降低了材料性能，這是因為有機硅凝膠純度不足導致，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，要重視有機硅凝膠。瓦克所開發(fā)的超純度有機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，對有機硅凝膠在封裝中的使用提出了一定的要求，有機硅凝膠的耐高溫性、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)氧塑封材料能夠對電路內部芯片進行保護，避免外界環(huán)境影響到芯片，所以使用熱導率和機械強度比較高。通過構成方面分析，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合材料，將環(huán)氧樹脂作為機體，使固化促進劑、固化劑、填充劑等根據(jù)一定比例利用適當工藝混合成為環(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)固化并不會產生小分子副產物；交聯(lián)后構成三維立體結構，力學性能良好。國外環(huán)氧樹脂塑料產業(yè)發(fā)展比較早，并且產品大部分都處于高端的位置。我國環(huán)氧樹脂產業(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，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模塊運行的過程中會受到高潮濕、沖擊、機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。熱失效會導致ＩＧＢＴ失效，所以要對ＩＧＢＴ封裝材料熱性能進行重視。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劑。通過ＴＭＡ測試結果表示，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，所以要對其應用、種類和氧含量進行調整和優(yōu)化。

５ 結語

電力電子器件朝著高電壓、高溫度的方向發(fā)展， 促進封裝結構朝著微型化、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構的關系實現(xiàn)關聯(lián)機制 的創(chuàng)建，從而開發(fā)耐高溫、導熱性的材料，促進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 國網新疆電力有限公司 阿克蘇供電公司

審核編輯：劉清