高分子材料在功率模块封装中的研究与应用

    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，对封装材料的挑战和机遇也是其他电子产品问世以来从未遇到过的，所涉及问题之多之广也是其它领域中少见的。

    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，如有机硅凝胶、环氧灌封胶、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。

图1 焊接式IGBT模块（A）及其剖面示意图（B）

Fig.1 Welded IGBT module (A) and its Crosssection (B)

    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，如图1所示。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。

    环氧树脂自身内应力较大，且固化过程中存在较大收缩，因此采用环氧灌封胶直接进行封装的形式并不多见。日本三菱电机开发出一种DP-树脂（Direct Potting Resin），是一种低收缩、低应力的直接灌封树脂，具有很低的应力，也可直接封装焊接式IGBT模块。对于压接式的IGBT模块，模组框架所采用的高分子材料主要是采用聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）等尺寸稳定性好、机械强度高、绝缘性好的特种工程塑料。此外目前研究较为热的双面散热（Double Side Cooled Module）主要应用于汽车用IGBT模块的封装，所采用的高分子材料是特种环氧模塑料树脂（Epoxy Molding Compound），具有玻璃化转变温度（Tg）高、线性热膨胀系数（CTE）小和可靠性高的特点。当然，还有其他一些高分子材料应用于功率模块芯片处理的涂覆处理中，如聚酰亚胺（PI）涂覆胶、聚对二甲苯（Parylene）等。

    笔者将结合高分子材料研究技术的最新进展和目前功率模块封装技术中急需要克服的困难和要求，介绍一些在功率模块封装特别是IGBT模块封装应用的高分子材料及其在模块中的应用情况。

 笔者介绍：

曾亮（1984.09-），男，湖南株洲人，汉族，高级工程师。长期从事功率半导体封装用高分子材料研究与开发。

曾就职于中国中车、中国化工等公司，目前就职于湖南国芯半导体科技有限公司。

微信号：hanxu42

原文始发于微信公众号（山中夜雨人）：高分子材料在功率模块封装中的研究与应用