半导体
摘要：功率模块封装是一门综合性非常强的学科，涉及领域从材料研究到工艺应用、从无机材料到高分子材料、从大型智能化生产设备到计算机仿真分析等。功率模块封装形式也是各种各样，新的封装形式层出不穷，对封装材料带来更大的挑战。上海希奈新材料提供有机硅、环氧树脂封装用胶解决方案。
一、什么是IGBT
IGBT即绝缘栅双极晶体管，是典型的功率模块，具有控制速度快、驱动功率小及饱和压降低等特点，被广泛应用于先进轨道交通、输配电、电动汽车、新能源及智能家电等各电气化领域，被誉为电能（功率）处理的“CPU”。IGBT模块的封装形式按管芯或芯片的组装工艺及安装固定方法不同分为压接式、焊接式等。在封装过程中也采用了很多不同的高分子材料，如有机硅密封胶、有机硅凝胶、环氧灌封胶、导热硅脂、尼龙、环氧模塑料等，主要起绝缘保护、密封防潮以及提供机械支撑的作用，对于提高IGBT耐压能力以及降低模块局部放电量有重要的作用。
二、IGBT的封装形式
由于IGBT模块的封装形式不同导致所采用的高分子材料也并不相同。对于焊接式IGBT模块，比较典型的封装方式是采用有机硅凝胶、环氧灌封胶和塑料外壳相结合的方式进行封装。该封装方式不仅能保证模块的电绝缘性能，还能为模块提供较好的机械强度保护，主要应用于轨道交通用IGBT模块的封装中；
也有直接采用有机硅凝胶与塑料外壳相结合的方式进行封装，其主要应用于电动汽车、风电等用IGBT模块。
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三、有机硅在IGBT封装中的应用
有机硅作为一种稳定可靠的高分子材料在IGBT上的主要应用是：1.有机硅粘接密封胶（在灌封硅凝胶之前，壳体和底座之间需要用有机硅粘接密封胶固定和密封，以防止硅凝胶在灌封时外溢）2.灌封硅凝胶/Silicone gel。3.导热硅脂（即涂覆模块与散热板之间的高导热硅脂）。
IGBT封装对有机硅的性能要求：
1. 有机硅粘接密封胶：
在壳体密封解决方案中，有加成型和缩合型两种密封胶可供选择，加成型有机硅粘接密封胶需要高温加热固化，优势在于固化后不会引起硅凝胶中毒现象且相对于缩合型有机硅密封胶固化速度更快，缩合型有机硅粘接密封胶是依靠吸收空气中的湿气固化，完全固化的速度相对较慢，一般需要24-72小时的时间，且需要特殊配方设计以防止引起硅凝胶中毒问题。
2.有机硅凝胶：
有机硅凝胶是一种存在液体和固体两种相态的“固液共存”的特殊硅橡胶，其质地很柔软，不会对IGBT芯片产生机械应力，即使所处温度介于-50℃~200℃，其柔软性能也基本不变，能很好地保护IGBT芯片免受湿气侵蚀，达到绝缘、防潮、防尘、减震和防腐蚀的作用。在选择适合特定应用的IGBT硅凝胶时，需要考虑以下几个关键特性：
① 耐高温性能：硅凝胶需要在IGBT模块的工作温度范围内保持稳定的性能，通常IGBT模块的工作温度范围是-40°C至150°C，但有些应用可能需要更高的温度耐受性，如新能源汽车中的IGBT模块可能会面临更高的温度挑战。
② 电气绝缘性能：硅凝胶应具有高介电强度和体积电阻率，以确保在高电压下也能提供可靠的绝缘保护。
③ 耐温循环性能：IGBT模块在实际应用中会经历温度循环，因此硅凝胶需要具有良好的耐温度循环能力，以保持长期的可靠性。
④ 低应力和柔韧性：硅凝胶应具有较低的内应力和良好的柔韧性，以减少对IGBT芯片的机械应力，提高封装的可靠性。
⑤ 防潮、防水性能：硅凝胶需要能够有效地阻止湿气和水分对IGBT模块的侵蚀，保护器件免受潮湿环境的影响。
⑥ 抗震性能：硅凝胶应具有良好的抗震性能，以保护IGBT模块在受到机械冲击时不受损害。
⑦ 化学稳定性：硅凝胶需要具有良好的化学稳定性，不易与其他材料发生不良反应，确保长期稳定性。
⑧ 热老化特性：硅凝胶在长期使用过程中，尤其是在高温环境下，需要具有良好的热老化特性，以保持其性能不衰退。
⑨ 环境适应性：硅凝胶需要能够适应各种环境条件，包括耐臭氧、耐辐射、耐气候老化等。
⑩ 材料兼容性：硅凝胶需要与IGBT模块中的其他材料（如基板、散热片等）具有良好的兼容性，以确保整体封装的可靠性。
根据不同的应用需求，可能还需要考虑硅凝胶的其他特性，如透明度、耐黄变、固化速度等。通过综合考虑这些因素，可以选择适合特定应用的IGBT硅凝胶封装材料。
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普通线性聚二甲基硅氧烷（PDMS）凝胶在超过175℃的高温下存放时间超过1000h后会变脆，机械性能和介电性能下降很严重，甚至会开裂。而随着IGBT模块封装形式的不断发展，对于封装所采用的有机硅凝胶也提出更高的需求。IGBT模块封装用有机硅凝胶的高纯度、耐高温性和高介电性是需要重点关注的发展方向。有机硅凝胶纯度不足的原因是由于原材料纯度和制备工艺所导致。离子含量过高的有机硅凝胶在长期的高温和高电场强度环境中会发生黄变、硬化、金属离子迁移等问题，直接影响IGBT的可靠性，因此对于有机硅凝胶纯度的问题需要重点关注。
四、环氧树脂在IGBT封装中的应用
环氧树脂是分子链段中含有两个以上环氧基的有高分子材料，具有工艺性强、介电性能好、机械强度高的特点，被广泛应用于各个领域。环氧树脂材料被应用于IGBT模块封装中主要是灌封（Potting）。
IGBT模块灌封用环氧胶（Epoxy Potting Adhesive）一般是在完成硅凝胶灌封后再进行灌封，经固化后在硅凝胶上层形成一层密度大质地坚硬的保护层，能够起保护和强化模块整体性的作用，对提高模块的抗机械冲击性具有一定的实际意义，这种封装结构方式在轨道交通用IGBT模块上应用较多。
IGBT封装对环氧树脂胶的性能要求：
IGBT模块灌封用环氧胶主要采用双组分的形式，是由特种环氧树脂、无机填料和助剂等制备而成，其固化物具有很高的阻燃性和较低的CTE值，可以有效隔离外部不利环境的影响。
普通双酚A型环氧树脂制备的环氧灌封胶在-40℃的低温下会发生收缩和开裂，导致封装失效；在超过150℃的高温下又会发生软化，丧失部分机械性能和介电性能，超过200℃的高温一段时间后又有可能会发生化学键的断裂后产生小分子挥发物质，因此对于运行温度达200℃的碳化硅IGBT模块的封装会存在很多问题。IGBT模块灌封用环氧胶的耐高温性、抗开裂性、低CTE值以及施胶工艺的改善以提高模块的可能性等是需要重点关注的发展方向。
上海希奈新材料科技有限公司利用双酚A型环氧和酸酐制备出适合IGBT灌封的环氧胶，其性能可以能承受1000次以上-40℃~125℃的冷热冲击循环测试，并在此基础上对该环氧胶的黏度建立模型方程，预测了50~90℃内环氧胶的流标特性，为施胶工艺提供了有价值的参考；为了开发耐热性更好的IGBT环氧灌封胶，技术团队又研究了采用了耐高温的特种环氧树脂为主体树脂，配合耐高温的碳化硅和阻燃性好的氢氧化铝为填料，制备出在高温下力学性能良好、介电性能高的IGBT环氧灌封胶，其玻璃化温度超过200℃，可以满足大功率IGBT模块的灌封要求。
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五、IGBT模块封装用胶推荐
| 产品类别 | 产品类型 | 产品型号 | 用胶点 | 固化方式 | 主要性能 |
| 有机硅密封胶 | 脱醇型 | HN733T | 壳体边框密封 | 常温固化 | 常温固化，低粘度透明 |
| 有机硅密封胶 | 脱醇型 | HN736W | 壳体边框密封 | 常温固化 | 钛酸酯体系，不易引起硅凝胶中毒 |
| 有机硅密封胶 | 加成型 | HN818系列 | 壳体边框密封 | 加温固化 | 高温快速固化，不会引起硅凝胶中毒 |
| 有机硅凝胶 | 加成型 | HN5272系列 | 灌封保护 | 加热固化 | 低硬度，非常柔软、纯度高、耐黄变 |
| 环氧树脂胶 | 酸酐型 | HN6300系列 | 灌封保护 | 加热固化 | 低粘度、高TG、耐高温、抗开裂 |
结束语：在IGBT（绝缘栅双极型晶体管）与SiC MOSFET（碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管）等高性能功率半导体器件的封装过程中，选择合适的封装用胶至关重要。这些先进材料不仅需具备良好的电气绝缘性、高热稳定性和耐化学腐蚀性，还要能够满足日益增长的功率密度和长期可靠性要求。上海希奈新材料提供的有机硅和环氧树脂封装胶方案，正是基于对上述需求的深刻理解而开发的。有机硅封装胶以其卓越的耐高温、耐老化性能，以及良好的柔韧性和粘附力，成为保护功率模块免受环境侵蚀、提升整体寿命的理想选择。而环氧树脂则因其成本效益、良好的加工性和较高的机械强度，在追求性价比的封装应用中占据一席之地。两者均通过精确配比与先进工艺，确保在封装过程中达到优异的密封效果和热管理性能，为IGBT/SiC MOSFET等功率器件的高效稳定运行提供坚实保障。
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