高分子材料在功率模块封装中的研究与应用：外壳材料

    功率模块封装所采用的塑料框架（PlasticFrame）必须达到很高的技术要求，如在工作温度区间内（如轨道交通用IGBT模块长期运行温度为-55~125℃）具有较高的的拉伸强度且机械强度稳定，能承受短期超过250℃的高温以适用中低功率模块的焊接工艺。此外所选用的材料必须具有很好的电气绝缘性能，相对电痕指数（ComparativeTracking Index，CTI）要求较高且能承受高度的电磁污染，无卤和氧化锑等害物质且能满足激光打标等要求等。

图1 PA及其注塑成型的IGBT模块框架

Fig.1 PA and plastic frame for IGBT module

    目前功率模块塑料框架所采用的材料较为普遍的有聚酰胺（Polyamide，PA）、聚对苯二酸乙二醇酯（Polyethyleneglycol Terephthalate，PET）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（Polybutylene Terephthalate，PBT）等。随着大功率IGBT模块的的发展对模块的安全可靠性提出了更高的要求，机械强度和玻璃化转变温度更高的特种工程塑料如聚邻苯二甲酰胺（Polyphthalamide，PPA）以及聚苯硫醚（Polyphenylene Sulfide，PPS）被应用与制造IGBT塑料框架，所封装的IGBT模块主要应用于轨道交通中，杜邦（DuPont）、巴斯夫（BASF）、东丽（TORAY）、三菱（Mitsubishi）等公司的料具有性能优势。表1是制造塑料框架材料的基本性能。

    随着碳化硅等功率模块运行温度的上升，强度高、高尺寸稳定性、耐高温、CTI值高加工性好的塑料框架是需要关注的发展方向。杨克俭等开发出一种高流动性无卤阻燃增强的尼龙，这种材料具有熔体流动性高、环保且阻燃性好、电性能好、力学性能优异等优点，制品低翘曲高平整度，适合用来加工于IGBT塑料框架。唐毅平等将功能性三嗪环与尼龙通过熔融共混改性得到耐高温、耐高电压的改性尼龙，该尼龙可应用于IGBT框架的制造，能够满足IGBT模块在高温高电压下的使用要求。路宏伟等将PPS与超高分子量聚乙烯（UHMWPE）共混，改善了PPS的耐冲击性和电气绝缘性能，再用玻璃纤维增强，得到具备优异力学性能和电气绝缘性能的复合树脂，拓展了PPS在IGBT塑料框架中的应用。

图2 压接型IGBT完整示意图和子模组结构爆炸视图

Fig.2 Structure diagram of press-pack IGBT

    工程塑料在IGBT模块封装中的另一个应用是在压接式的模块中被加工成子模组的安装座使用，多是经玻璃纤维或碳纤维增强后的聚醚醚酮（PEEK）加工而成。PEEK作为一种新型的工程塑料具有硬度大、承压能力强、耐受温度高、尺寸稳定性好的特点。英国威格斯（Victrex）的料具有较高的性能优势。HaoyuWang等研究优化压接式IGBT模块的PEEK框架和管芯之间的气隙来改善模块的绝缘性能，也对PEEK在压接式IGBT模块中的应用情况进行了介绍。MarkSweet等研究了PEEK盒式设计对4500V压装IGBT模块击穿性能的影响。

表1 几种制造IGBT模块塑料框架材料的基本性能

Tab.1 the performances of Plastic framefor IGBT package

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：外壳材料