為(wei) 評估國產(chan) 環氧灌封膠在絕緣柵雙極晶體(ti) 管（IGBT）功率模塊封裝中的應用情況，選取了兩(liang) 種國產(chan) 環氧灌封膠進行了綜合對比：包括對兩(liang) 種環氧灌封膠固化前黏度、比重和凝膠時間，固化後力學性能、熱性能、絕緣性能等的橫向對比。分析出兩(liang) 種環氧灌封膠的差異，並利用其分別封裝了IGBT功率模塊，對所封裝的IGBT模塊進行了高溫存儲(chu) 、低溫存儲(chu) 及溫度循環等環境測試。對比測試結果表明：兩(liang) 種環氧灌封膠不同的增韌機理、混合比例、固化溫度、機械強度和Tg值對封裝存在一定影響，但CTE值是影響環氧灌封膠在IGBT模塊封裝應用的重要參數。

功率半導體(ti) 模塊主要應用於(yu) 電能轉換和電能 控製，是電能轉換與(yu) 電能控製的關(guan) 鍵器件，被譽為(wei) 電能處理的“CPU”，是節能減排的基礎器件和核心技術之一，被廣泛應用在先進軌道交通、輸配電、電動汽車、新能源、智能家電以及軍(jun) 工等領域[1] 。功率 模塊封裝技術是集材料性能研究和應用研究於(yu) 一 體(ti) 的綜合性學科，所涉封裝材料由於(yu) 功率模塊的封 裝形式多樣而不同[2-3] 。從(cong) 材料的種類可以劃分為(wei) 有機材料和無機材料，其中無機封裝材料如玻璃、水凝膠陶瓷等由於(yu) 燒結溫度過高或熱膨脹係數 （CTE）匹配度的問題導致應用較少[4] ；而有機封裝 材料主要是有機矽、環氧樹脂和聚酰亞(ya) 胺等高分子 材料，在功率模塊中應用範圍較廣，相關(guan) 的研究報道也相對較多[5] 。

絕緣柵雙極晶體(ti) 管（IGBT）具有易驅動、控製速 度快、導通電壓低、通態電流大、尺寸小等優(you) 點，是 一種重要的功率半導體(ti) 器件[6] 。IGBT 模塊按封裝 形式的不同可分為(wei) 壓接式和焊接式。壓接式采用的有機材料較少，本文不討論；焊接式主要采用的 是有機矽凝膠和環氧膠灌封，不僅(jin) 能提高 IGBT 模 塊的絕緣能力，還能提升IGBT模塊的可靠性，延長其使用壽命[7-10] 。環氧樹脂由於(yu) 其良好的絕緣性和 工藝性而應用廣泛，但環氧灌封膠固化收縮率較 大，且固化後CTE值相對芯片、襯板、綁定線等差異 較大，環氧灌封的IGBT 模塊在溫度衝(chong) 擊實驗後易 開裂、脫離和形變，導致封裝失效，因此環氧灌封膠 在IGBT模塊封裝中的應用研究需要重點關(guan) 注。本文對兩(liang) 種國產(chan) IGBT模塊封裝用環氧灌封膠 的基本性能、熱性能和絕緣性能進行對比測試，並結合材料的基本性能研究兩(liang) 種環氧灌封膠在模塊 中的應用情況，為(wei) 國產(chan) 環氧灌封膠在 IGBT模塊中 的應用提供一定的參考。

1、實 驗 

1.1 原材料及使用工藝 

選取兩(liang) 種國產(chan) 環氧灌封膠作為(wei) 研究對象，分別 標記為(wei) 1#環氧灌封膠和2#環氧灌封膠，兩(liang) 種環氧灌封膠的關(guan) 鍵參數見表1。

將1#環氧灌封膠A組分與(yu) B組分按質量比為(wei) 1∶1 混合，混合均勻後真空脫泡備用。固化溫度按廠 家推薦方式采用階梯升溫固化：80℃/1h+125℃/2h+140℃/3 h。將2#環氧灌封膠A組分與(yu) B組分按質量比為(wei) 4∶1混合，混合均勻後真空脫泡備用。固化溫度按廠 家推薦方式加溫固化：120℃/10h。

1.2 測試儀器及方法

黏度采用上海高致精密儀(yi) 器有限公司NDJ-5S型黏度計進行測試，測試標準為(wei) GB/T 10247— 2008；體(ti) 積電阻率采用日本HIOKI公司SM7120型高阻計進行測試，測試標準為(wei) GB/T 1410—2006；電氣強度采用桂林電器科學研究院有限公司ZHT-10/ 50型電氣擊穿測試儀(yi) 進行測試，測試標準為(wei) GB/T 1408.1—2006；力 學性能采用德國ZWICK公司Z010型萬(wan) 能拉力機進行測試 ，測試標準為(wei) GB/T 2567—2008；導熱係數采用湘潭湘儀(yi) 儀(yi) 器有限公司DRPL-II型導熱測試儀(yi) 進行測試，測試標準為(wei) GB/T 10295—2008；熱失重分析采用梅特勒TGA1（SF）型 熱重分析儀(yi) 進行測試，空氣氛圍，溫度從(cong) 25℃升溫 到 700℃，升溫速率為(wei) 5℃/min；玻璃化轉變溫度采 用梅特勒 DSC1 型差示掃描量熱儀(yi) 進行測試，測試 標準為(wei) GB/T 19466.2—2004；熱膨脹係數采用美國 TA公司TMA Q400型熱機械分析儀(yi) 進行測試，測試 標準為(wei) GB/T 36800.2—2018；阻燃性采用江都市天璨 試驗機械廠CZF-5型水平垂直燃燒測試儀(yi) 進行測試， 測試標準為(wei) GB/T 2408—2008，樣品厚度為(wei) 6 mm。

2、 結果與討論

2.1 環氧灌封膠固化前物理性能對比

環氧灌封膠固化前物理性能主要指膠的黏度、 密度、凝膠時間等基本技術參數，如表 1所示。表 1 中的參數決(jue) 定了環氧灌封膠的使用工藝條件及對 灌膠設備的要求，也是環氧灌封膠選型中重要的技術工藝參數。

由於(yu) 供應商對環氧灌封膠配方設計思路的差 異，兩(liang) 種環氧灌封膠固化前特性差異較大。對表 1 數據對比分析可以發現，兩(liang) 種膠的設計思路差別 為(wei) ：1# 為(wei) 雙組分熱固化型環氧灌封膠，A、B組分密度 和黏度相差較小，采用質量比為(wei) 1∶1的比例混合有 利於(yu) 稱量和混合施膠。但該膠在常溫下混合黏度 較大，超過 20 000 mPa·s，室溫下難以完成模塊灌 封，需要將膠加熱至40～50℃以獲得更合適的操作 黏度和滲透性；2# 也為(wei) 雙組分熱固化型環氧灌封膠， 但 A、B 組分密度和黏度相差大，采用質量比為(wei) 4∶1 的比例混合。此外該環氧灌封膠在常溫下的混合 黏度為(wei) 5 540 mPa·s，具有較低操作黏度和滲透性， 可無需加熱直接完成模塊的灌封。但該膠 A 組分 填料含量高、黏度大，增加了填料沉降風險，也不利 於(yu) A、B 組分混合。綜上所述，1# 和 2# 環氧灌封膠固 化前性能差異較大，對於(yu) 儲(chu) 存條件、工藝條件及灌 膠設備等要求都會(hui) 有所不同，需要結合存儲(chu) 條件、 灌膠設備、現場工藝條件等實際情況考慮選用。

2.2 環氧灌封膠固化後物理性能

2.2.1 環氧灌封膠的基本性能

IGBT模塊在運行過程中可能會(hui) 遭受機械振 動、衝(chong) 擊和高潮濕等不利影響因素，要求環氧灌封 膠具有較大的硬度、抗衝(chong) 擊性、較低的吸水率以保 證模塊的可靠性。兩(liang) 種環氧灌封膠固化後的基本 性能如表2所示。從(cong) 表2可以看出，盡管兩(liang) 種環氧 灌封膠固化前後的基本性能差異較大，但固化後都體(ti) 現出較好的機械強度、較低的吸水率和優(you) 異的阻 燃性。其中1#環氧灌封膠的導熱係數明顯大於(yu) 2#環氧灌封膠，可能是所采用的填料種類及添加量的差異所致。

2.2.2 環氧灌封膠的熱性能

熱（高溫）失效一直是導致IGBT失效的重要原因，因此對IGBT封裝材料的熱性能需要重點關(guan) 注。首先對兩(liang) 種環氧灌封膠的熱穩定性進行測試，再對 其玻璃化轉變溫度（Tg）及 CTE值等熱性能進行討論，以期對環氧灌封膠在高溫條件下的封裝失效原 因進行分析。

環氧樹脂及固化劑的分子量、固化物的交聯密度以及填料含量都可能阻礙分子鏈段的運動，從(cong) 而對灌封膠的熱穩定性造成一定的影響。圖1為(wei) 兩(liang) 種環氧灌封膠的熱失重分析（TGA）曲線。通過TGA曲線的起始分解溫度和不同溫度下的殘留率對比兩(liang) 種環氧灌封膠的耐熱性能。從(cong) 圖1可以看出，1# 和 2# 環氧灌封膠的填料含量分別約為(wei) 50%和42%， 起始熱分解溫度分別為(wei) 279.7℃和 298.5℃，2#環氧灌封膠具有較好的耐熱性。

兩(liang) 種環氧灌封膠固化物的DSC 曲線如圖2所 示。樣品測試先從(cong) 室溫開始，然後以20℃/min的速率升溫至200℃，再以20℃/min的速率降至室溫，最後以20℃/min的速率升溫至200℃。 

從(cong) 圖2可以看出，1#灌封膠的二次升溫曲線在122.4℃左右具有一個(ge) 較為(wei) 明顯的Tg點，而2#灌封膠的二次升溫曲線在77.5℃和115.7℃左右存在兩(liang) 個(ge) Tg點，分別由增韌樹脂鏈段和環氧剛性鏈段的Tg引起。由 DSC測試數據可以推斷兩(liang) 種環氧灌封膠采取的增韌方式不同。 

CTE值是影響 IGBT功率模塊使用壽命和可靠 性的重要參數。采用熱機械分析法（TMA）測試兩(liang) 種環氧灌封膠低於(yu) T（g Alpha 1 區域）和高於(yu) T（g Al‐ pha 2 區域）的CTE值。Tg前後環氧灌封膠的CTE值差別較大，這是由於(yu) 低於(yu) T（g Alpha 1區域）分子鏈段被凍結，環氧灌封膠CTE值都較小；溫度高於(yu) Tg （Alpha 2區域），分子鏈段運動和鏈段本身的擴散導致膠的CTE值偏大。圖3為(wei) 兩(liang) 種環氧灌封膠的Tg以及Z軸方向的CTE值對比圖。

從(cong) 圖 3(a)可以看出，TMA測得兩(liang) 種環氧灌封膠 的 Tg分別為(wei) 101.3℃和95.5℃，與(yu) DSC法測試結果 並不相同；從(cong) 圖 3(b)可以看出，1#環氧灌封膠的 CTE 值要低於(yu) 2#，說明1#環氧灌封膠的熱性能更為(wei) 優(you) 異。

兩(liang) 種環氧膠灌封膠的技術資料顯示，1#環氧灌 封膠選用的樹脂類型為(wei) 雙酚A型環氧樹脂、鄰甲酚 醛環氧樹脂、納米殼核增韌劑以及氧化鋁等，采用 的固化劑為(wei) 含剛性分子結構的改性酸酐；2#環氧灌 封膠樹脂類型為(wei) 低黏度脂環族環氧樹脂、酚醛樹 脂、改性增韌劑、二氧化矽以及氧化鋁等，固化劑為(wei) 甲基六氫苯酐和一定量的促進劑。TMA測試結果 表明，由於(yu) 1#環氧灌封膠中鄰甲基酚醛具有更大的 分子鏈結構，與(yu) 含剛性分子結構的固化劑交聯後能 有效地阻礙主鏈的內(nei) 旋運動，環氧柔性下降，而納 米結構的核殼增韌劑對環氧灌封膠的Tg影響較小。而2#環氧灌封膠雖然采用了分子鏈結構較大的酚醛樹脂，但低羥基當量的酚醛樹脂使交聯點減少，低 黏度脂環族環氧樹脂與(yu) 甲基六氫苯酐固化後也無 法形成更大的分子結構阻礙主鏈內(nei) 旋運動，分子柔性較大，導致2# 環氧灌封膠的Tg較低。此外，低黏度 脂環族環氧樹脂雖然交聯密度較大，但其固化收縮 率較大，通過後期溫度衝(chong) 擊或者低溫存儲(chu) 測試，有 可能會(hui) 進一步加劇樹脂內(nei) 應力釋放和收縮，造成模 塊封裝失效。對比 TMA 與(yu) DSC 測得的Tg發現 ，TMA不僅(jin) 能得到環氧灌封膠的熱變形溫度，還能了 解環氧灌封膠在高溫狀態下的膨脹和變形情況，更直觀且更具有參考價(jia) 值。

2.2.3 環氧灌封膠的絕緣性能

環氧灌封膠的體(ti) 積電阻率、表麵電阻率、相對介電常數以及電氣強度等絕緣性能會(hui) 對模塊可靠 性產(chan) 生較明顯的影響。表3為(wei) 兩(liang) 種環氧灌封膠的絕 緣性能測試數據。

從(cong) 表3中可以發現，兩(liang) 種國產(chan) 環氧灌封膠的絕緣 性能差異較小，體(ti) 積電阻率均超過了1×1015 Ω·cm，電 氣強度均大於(yu) 20 kV/mm，相比電痕化指數（CTI）均 超過 400，表明兩(liang) 種國產(chan) 環氧灌封膠都具有較好的絕緣特性。

2.3 環氧灌封膠在IGBT模塊封裝中的應用

為(wei) 分析兩(liang) 種環氧灌封膠在 IGBT模塊上的應用 情況，分別對 1# 和 2# 環氧灌封膠進行了灌封實驗。圖4為(wei) 兩(liang) 種環氧灌封膠灌封前後的IGBT模塊照片。實驗選擇了尺寸比較有代表性的類似於(yu) Econo PACK 封裝形式的模塊，環氧灌封膠的灌封尺寸約 為(wei) 110.0 mm×57.5 mm×17.0 mm。 

灌封具體(ti) 工藝流程為(wei) ：①將環氧灌封膠的 A 組 分和 B 組分分別在 60℃的環境中存放長 60 min 後 按比例混合均勻；②在低於(yu) 1 100 Pa 的負壓下對混 合後的環氧灌封膠快速脫泡 10 min 後緩慢倒入預 備好的模塊中；③在低於(yu) 1 100 Pa 的負壓下快速脫 泡 5 min 後，泄壓恢複常壓，再在低於(yu) 1 100 Pa 的真 空下快速脫泡，待模塊邊緣無明顯氣泡鼓出即可停 止；④按廠家推薦的固化條件進行加熱固化後取出 模塊進行後續環境測試。 

溫度變化所導致的環氧灌封膠體(ti) 開裂、與(yu) 外殼 的脫離或應力過大導致外殼開裂等問題會(hui) 對封裝 結果有直接影響，因此環氧灌封膠的溫度性能對其 在IGBT模塊中的應用影響較大。 

表 4 為(wei) 經過高溫存儲(chu) 、低溫存儲(chu) 和溫度循環後 兩(liang) 種環氧灌封膠在 IGBT 功率模塊中的應用情況。從(cong) 表 4 可以發現，1# 環氧灌封膠所灌封的模塊在高溫存儲(chu) 、低溫存儲(chu) 以及溫度循環後並未出現膠開裂，膠體(ti) 與(yu) IGBT 塑料外殼之間也並未出現由於(yu) 收 縮引起的縫隙和脫離現象，說明該環氧灌封膠能滿 足IGBT模塊的灌封要求；2# 環氧灌封膠能完全通過 高溫存儲(chu) 測試，但由於(yu) CTE 值偏大，模塊低溫存儲(chu) 以及溫度循環後膠體(ti) 與(yu) 外殼間脫離，封裝失效，說 明 2# 環氧灌封膠在耐溫性能方麵還存在缺陷，可能 還需在環氧膠樹脂應用、填料種類及含量等方麵進行調整和優(you) 化。

3、 結 論

對兩(liang) 種國產(chan) 環氧灌封膠進行了對比分析，發現 1# 和 2# 環氧灌封膠的混合比例、固化溫度、機械強 度、Tg和CTE值並不相同。1# 環氧灌封膠完成IGBT 模塊灌封後模塊能順利通過高溫存儲(chu) 、低溫存儲(chu) 和溫度循環測試；由於(yu) 2# 環氧灌封膠 CTE 值偏大，所 灌封模塊隻能通過高溫存儲(chu) 測試，無法滿足 IGBT 功率模塊的封裝使用要求。因此，CTE值的大小是 影響環氧灌封膠在 IGBT模塊封裝應用的最重要參 數。此外，對於(yu) 環氧灌封膠在 IGBT 模塊上的驗證 過程需要對材料性能、應用工藝以及後期的灌封驗 證綜合考慮，周期較長，如何建立高效的選擇機製 和打造高可靠性的實驗驗證平台將是需要麵臨(lin) 解 決(jue) 的關(guan) 鍵問題。

參考文獻：

[1] 賈揚 ⋅巴利加 .IGBT 器件物理、設計與(yu) 應用[M]. 韓雁,丁扣寶, 張世峰譯.北京:機械工業(ye) 出版社,2018.

[2] 王善林,陳玉華.電子封裝技術實驗[M].北京:冶金工業(ye) 出版社, 2019. 

[3] 斯蒂芬 ⋅林德 .功率半導體(ti) 器件與(yu) 應用[M].肖曦,李虹譯 .北京:機械工業(ye) 出版社,2019.

[4] KAESSNER S, SCHEIBEL M G, BEHRENDT S, et al. Reliabili‐ ty of novel ceramic encapsulation materials for electronic packag‐ ing[J]. Journal of Microelectronics and Electronic Packaging, 2018,15(3):132-139. 

[5] 曾亮,齊放,戴小平,等.高分子絕緣材料在功率模塊封裝中的研 究與(yu) 應用[J].絕緣材料,2021,54(5):1-9. 

[6] 安德列亞(ya) 斯⋅福爾克,麥克爾⋅郝康普.IGBT模塊:技術、驅動和 應用[M].韓金剛譯.2版.北京:機械工業(ye) 出版社,2016. 

[7] 曾亮,黎超華,李忠良,等 .大功率 IGBT 用耐高溫環氧灌封膠的 研製[J].絕緣材料,2016,49(3):24-28.

[8] 曾亮,朱偉(wei) ,李忠良,等 .大功率 IGBT 用環氧樹脂灌封膠的流變 性能研究[J].絕緣材料,2015,48(6):25-29. 

[9] 趙慧宇,丁娉,薑其斌,等.IGBT用雙組分加成型有機矽凝膠的國 產(chan) 化研究[J].特種橡膠製品,2013,34(3):31-33.

[10] 丁娉,陳磊,唐毅平,等.新型大功率IGBT用矽凝膠的製備及其 應用性研究[J].絕緣材料,2014,47(2):62-65.

本文作者：曾亮;何勇;劉亮;戴小平