有机硅作为一种稳定可靠的高分子材料在IGBT上的主要应用是灌封（即硅凝胶，Silicone gel）和导热（即涂覆模块与散热板之间的高导热硅脂）。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。有机硅凝胶种类繁多，就反应类型来看可以分为加成型和缩合型。缩合型有机硅凝胶具有较好的粘接性和自修复性，但反应过程中会有小分子物质产生，收缩率较大且容易形成气泡，因此并不适合灌封要求较高的功率半导体封装。加成型有机硅凝胶主要是由乙烯基硅油（或丙烯基）、含氢硅油以及贵金属催化剂等组成，反应过程为乙烯基与活性氢的加成反应，无副产物产生，硫化物纯度高且无收缩，因此在IGBT封装中主要采用的是加成型有机硅凝胶。
图1 有机硅凝胶及其在功率模块灌封中的应用
Fig.1 Silicone gel and its application in powermodule package
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。瓦克开发出的超纯度有机硅凝胶其总残余离子含量<2ppm，特别是SEMICOSIL 915HT和SEMICOSIL 920LT两款有机硅凝胶具有纯度高，耐黄变性好的优点。
图2 硅凝胶热老化前（左图）；200℃下老化1000h后（右图）
Fig.2. Left: Initial state; Right: after 1000hours of storage at 200℃
新一代IGBT模块，如碳化硅、氮化镓等功率模块的发展也对有机硅凝胶的耐高温性和介电性是新的考验。信越关注了有机硅凝胶在高温下的“凝胶裂缝”现象和长期在200℃下使用的有机硅凝胶的开发和应用，并对有机硅凝胶在高温储存下的失效模式以及如何克服这些失效模式进行探讨。瓦克推出的SEMICOSIL 915HT有机硅凝胶可以使用紫外线活化的催化剂进行固化，即使在室温下也能缩短处理时间，其混合比例10:1，硫化后介电常数2.8，介电强度达到30.0 kV/mm，在210℃的高温下测试2000h后外观和机械性能基本不变，具有很好的介电性能和耐高温性能。道康宁也为新一代功率模块在200℃连续工作而开发出耐高温有机硅凝胶，该硅凝胶在215℃的高温下耐受时间达2000h。赵慧宇等以自制乙烯基硅油和含氢硅油为原材料，开发出用于IGBT模块灌封的双组分加成型硅凝胶，其介电强度达到22.6kV/mm，相对介电常数为2.65，具有较高的电绝缘性。丁聘等以聚甲基乙烯基硅氧烷为基础硅油、端含氢硅油为扩链剂、侧链含氢硅油为交联剂，辅以铂催化剂和炔醇类抑制剂，制备出的双组分有机硅凝胶经过对6500V的IGBT模块进行灌封评估后发现模块局部放电量小于10pC，顺利通过模块振动、高温存储、低温存储等多项应用性试验。笔者之前设计了一种MDT树脂应用于耐高温的有机硅凝胶，使其在220℃下热老化1000h不发生黄变，具有很好的耐高温性能。
表1 几种功率模块封装用有机硅凝胶性能
Tab.1 the performances of Silicone gelfor power module package
|
种类 |
胶1 |
胶2 |
胶3 |
|||
|
组分 |
A |
B |
A |
B |
A |
B |
|
外观 |
透明 |
透明 |
透明 |
透明 |
透明 |
透明 |
|
比重（23℃） |
0.97 |
0.97 |
0.97 |
0.97 |
0.97 |
0.97 |
|
黏度（mPa.s, 23℃） |
1000 |
1000 |
450 |
450 |
1000 |
1000 |
|
混合比（质量/体积） |
1:1 |
1:1 |
1:1 |
|||
|
混合黏度（mPa.s, 23℃） |
1000 |
450 |
1000 |
|||
|
适用期（h） |
2.5（25℃） |
1.7（23℃） |
0.75（25℃） |
|||
|
凝胶时间（min） |
30.0（150℃） |
7.0（135℃） |
30.0（150℃） |
|||
|
锥入度（0.1mm, 23℃） |
85 |
85 |
85 |
|||
|
介电常数（50Hz） |
2.7 |
2.7 |
2.7 |
|||
|
介电强度（kV/mm） |
17 |
15 |
19.2 |
|||
|
体积电阻率（Ω.cm） |
1.0×1015 |
3.0×1015 |
6.0×1015 |
|||
通过混合高介电强度的填料也可以改善有机硅凝胶的介电性能。Wang等采用在有机硅凝胶中添加BaTiO3粉体的方式以提高硅凝胶的相对介电常数，通过检测发现硅凝胶介电常数达到6.4，且会随着电场改变而改变，实现了硅凝胶的介电常数可调性，并利用复合硅凝胶在3300V的商业化IGBT模块进行测试。王昭等进一步利用有限元分析方法分析了BaTiO3复合硅凝胶对IGBT模块内部电场分布的影响，验证了提高硅凝胶介电常数对IGBT模块内电场强度的抑制作用。
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：有机硅凝胶
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