环氧树脂和一体化绝缘金属基板（IMB）相结合提高功率模块可靠性技术【亮说材料】

摘要：介绍了日本三菱电机采用的结合了直接环氧灌封（Direct Potting）树脂和一体化绝缘金属基板（IMB）。DP树脂是一种高粘度液态环氧灌封树脂，可以用于来封装传统壳式功率模块，如IGBT、SiC等。通过新型的封装结构设计（SLC结构），去掉了绝缘层和金属底板之间焊接层，IMB与DP树脂相结合的封装结构有助于防止芯片下方焊接层的高温老化，从而提高了IGBT模块耐热冲击和功率循环的能力。

1、引言

IGBT为绝缘栅双极晶体管的简称，是一种应用于电能转换的重要功率半导体器件，被广泛应用于轨道交通、柔性输电、新能源电动汽车及智能家电等能源，被誉为能源处理的心脏。IGBT模块封装技术是集材料应用和性能研究于一体的综合技术，所涉及材料可分为金属材料、陶瓷材料和有机材料，其中有机材料的作用主要是绝缘、防水、防潮和防静电，对提高IGBT模块可靠性具有重要作用。但随着IGBT和SiC等功率模块市场应用的不断扩大，其电流密度也和温度也在不断提高；因此，对能承受更高温度和更大温度波动的功率模块也有着更大的增长需求。所以对于有较大温度波动的IGBT模块，除PC寿命之外，温度冲击的可靠性变得同样重要。为了满足此方面的需求，日本三菱电机提出一种新型的结合了绝缘金属底板（IMB）和直接灌封（DP）树脂的封装技术。

2、封装结构

如图1（a）所示的传统封装结构中，DBC通过锡膏等与金属基板焊接在一起。由于DBC和金属基板间的热膨胀系数（CTE）差异较大，会导致DBC下方的焊层在温度波动时产生热应力，此应力将影响模块是热冲击和热循环能力，也限制了陶瓷基片的尺寸。图1（b）给出了SLC结构的新型封装模块结构。IMB由高导热绝缘树脂、铜底板和线路层构成。通过对环氧树脂的设计，将绝缘层树脂热膨胀系数设计接近于铜（17ppm），通过这种方式消除IMB中的树脂绝缘层下的焊层；另外，SLC使用新型的环氧树脂（DP树脂）直接灌封，取代了有机硅凝胶。

图1 传统封装模块与SLC封装模块示意图

日本三菱电机采用环氧塑封料封装功率模块，其减少焊接应力的效果也早有报道^[2]。这种塑封技术已经应用于较小尺寸模块的封装，可以较大地提高生产效率。环氧模塑料是固体的，使用储存并不方便。但DP树脂是液态，这意味着DP树脂可以采用与硅胶类似的灌注封装。因此，三菱电机认为使用DP环氧树脂封装可以扩展到具有更高设计灵活性和更大的传统壳式封装中（图2）。

图2 环氧树脂在功率模块封装中的扩展（图片来源日本三菱电机）

3、直接灌封树脂

功率模块封装材料的性能需要在功率模块运行的结温（Tj）范围内保持稳定，特别是SiC模块的出现，其结温175℃，远超普通型的环氧树脂。DP树脂是具有较高玻璃化转变温度（Tg）的特种环氧胶，其CTE值、弹性模量和粘接强度通常会在低于Tg的温度的条件下变化较小。因此，必须将DP树脂的Tg设计成高于Tj才能在较高温度下保持材料的稳定性。图3给出了新型DP树脂的热机械分析（TMA）图。将DP树脂的Tg设计成远超过Tj的最大值。这样DP树脂在Tj范围内CTE值变化会很小。另外，新型DP树脂也具有足够的流动性以利于灌封。

图3 DP树脂TMA曲线图（图片来源日本三菱电机）

DP树脂主要起机械支撑的作用，要求具有足够的刚性和硬度，因此平衡DP树脂、IMB和模块其它组件的CTE值是非常重要的。在考虑到引起基板翘曲的双金属效应后，将DP树脂的CTE值设计为与IMB中主要构成—铜相匹配。有关DP树脂热膨胀系数的模拟翘曲变化如图4所示，其热膨胀系数约为15~17ppm，接近于铜，所以几乎不会导致翘曲变化。通过衡量封装尺寸或内部布局，最终确定CTE值。

图4 DP树脂CTE的模拟翘曲变化（图片来源日本三菱电机）

4、SLC封装结构的可靠性

如上所述，SLC封装结构的设计实现了CTE影响的最小化。此外，环氧树脂封装可以减小硅片下方焊料层的应力^[2]。这实现了更高的耐热冲击和热循环的可靠性。图5给出了超声扫描（C-SAM）图像，分别记录了在热冲击试验（-40〜125℃）的初始时刻、300次循环和600次循环后的图像。

图5 SLC模块C-SAM热冲击实验照片（图片来源日本三菱电机）

300次循环后，传统结构DBC衬板下方的焊接层出现衰退的现象。而DP灌封的SLC结构模块在600次循环之后也没有观察到衰退现象。因此，可以认为去除基板焊层以及环氧树脂灌封对防止芯片下方的焊层开裂是有效的。

SLC模块热循环试验的结果如图6所示：在经过4万次循环测试后依然没有失效。而传统结构的DBC下方的焊接层出现了和热冲击测试结果一样的衰退现象。可见，与传统结构相比，采用DP树脂和IMB的SLC封装结构显著地提高了热循环寿命。这要归功于去除绝缘片下方的焊接层而减小了硅片下方焊接层的应力。

图6 SLC模块热循环试验结果（图片来源日本三菱电机）

5. 结论

SLC新型封装结构结合了DP树脂和IMB技术。DP树脂可将环氧树脂封装应用于传统壳式封装的功率模块。通过平衡Tg和CTE的关系，优化DP树脂。另外，新的封装结构在绝缘片下没有焊层，且环氧树脂封装有效地防止了芯片下方焊接层的衰退。这些措施都使得新型封装功率模块的热冲击和热循环能力得到了加强。

6. 参考文献

[1] Ohara, et. al.,"A New IGBT Module with Insulated Metal Baseplate (IMB) and 7th GenerationChips", PCIM Nuremberg (2015).

[2] T.Ueda, et al.,"Simple, Compact, Robust and High-performance Power module T-PM(Transfer-moldedPower Module)", pp.37-40, ISPSD2010

说明：本论文中所涉有部分图片或资料来源三菱电机，论文仅做简单讨论，不做商业用途，如涉及版权问题，请联删。

笔者介绍：

理工男，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。

曾就职中国中车、中国化工等公司。

微信号：hanxu42

原文始发于微信公众号（亮说材料）：环氧树脂和一体化绝缘金属基板（IMB）相结合提高功率模块可靠性技术【亮说材料】