电子元器件用导热绝缘封装胶粘材料特性分析

导热绝缘材料指的是一种具备绝缘和导热性能的材料，电阻率大于１０１０Ω·ｍ。但是为高导热绝缘材料进行定义，并没有明确的界限，在不同应用场合对于导热性能好坏定义具有一定的差别。比如，导热绝缘材料在电力电子器件中使用的时候，对于聚合物、陶瓷等不同类型基板，导热性能的优良性定义各有不同。总体来说，陶瓷基板导热性能比聚合物基板要好。

１ 导热绝缘材料的物理基础特性

功率半导体模块能够实现电能控制与转换，为节能减排核心技术和基础器件，在新能源、输配电、轨道交通和电动汽车等领域使用。功率模块封装技术为集材料性能研究与应用为一体的综合性学科，封装材料因为功率模块封装方式多样化而不同。通过材料种类划分为无机材料和有机材料，无机封装材料包括水凝胶陶瓷、玻璃等因为烧结温度过高导致应用比较少；有机封装材料包括环氧树脂、有机硅等高分子材料，在功率模块中使用范围比较广。绝缘栅双极晶体管（ＩＧＢＴ）的主要特点为尺寸小、通态电流大、导通电压低等，ＩＧＢＴ模块根据封装形式的不同分为焊接式和压接式。

根据热动力学说，热指的是通过电子、原子和分子等构成的转动、移动和振动的热量。所以，物质导热机理和构成物质的微观粒子运动具有密切关系。固体内部导热载体包括声子、光子和电子，因为电子自身具备的电荷，电子迁移中具有大量能量，导热率比较高。但是导电体没有绝缘性能，不能够在绝缘材料制备中应用。因为光子热传导作用材料要具备投射性，只能够应用特殊玻璃或者单晶体，没有普遍意义。普通固体材料通过声子出现导热作用，比如金属氧化物和无机非金属材料，此物质晶体结构有序性会使声子平均自由程要大。

导热绝缘高分子材料包括非晶体和晶体２种，通过导热机理分析，晶体导热机理为晶粒热振动，利用声子概念描述；非晶体导热机理是根据无规律排列分子或者原子根据固定位置做热振动使能量对原子和分子传递。因为非晶体能够作为细晶粒的晶体，还能够作为声子对导热进行分析。高分子材料自身的结晶度并不高，并且结晶不完整，晶格和分子的树脂界面、非谐性振动和缺陷等情况导致声子散射，从而降低了聚合物导热系数。
要想制备高导热聚合物分子，通过结构方面分析，高聚物分子具备完善结晶取向结构和共轭结构。但是，导热高分子加工工艺比较复杂，无法实现规模化生产。所以，根据近代固体物理热传导理论，将具有较高导热率的填料掺杂在聚合物基体材料中，从而制得导热聚合物基复合材料。

针对填充型导热聚合物基材料，导热系数和聚合物数值基体相关。在树脂中分散的导热填料包括纤维状、粒状和片状等形状，在填料添加量比较低的时候，通过孤立方式存在于聚合物基体中。此时，连续性为聚合物基体，填料被聚合物集体包覆，和聚合物共混体系的海岛两相体系结构类似。但是，在填料添加量超过阈值的时候，填料或者聚集体会接触局部导热链通过复合材料构成。如果增加填料量，局部导热网和导热链相互贯穿，构成导热网络，提高填充复合材料导热性能。在导热填料添加量得到特定值的时候，颗粒能够相互的接触，构成通路，为高聚合物从热不良导体转变为良导体。此转变指的是逾渗，和其相关的理论能够应用在填充型导热负荷材料中；表１为导热聚合物材料的关键性能指标。

 

２ 有机硅材料特性分析

有机硅材料属于可靠、稳定的高分子材料，主要作用为灌封与导热。有机硅凝胶为固体和液体２种相态的固液共存的特殊硅橡胶，质地柔软，并不会对电子芯片造成机械应力。即便是在－５０～２００℃的条件下，柔软性能不会发生改变，能够对ＩＧＢＴ芯片避免湿气侵蚀，实现减震、防尘、防潮、绝缘等效果。有机硅凝胶种类比较多，反应类型包括缩合型和加成型。缩合型有机硅胶的自修复性和粘接性，在反应过程中存在小分子物质，收缩率比较大，无法实现功率半导体封装。加成型有机硅凝胶通过贵金属催化剂、含氢硅油和乙烯基硅油等构成，反应过程就是活性氢和乙烯基的加成反应，没有副作用和收缩。所以，在ＩＧＢＴ模块封装过程中使用加成型有机硅凝胶。

普通线性聚二甲基硅氧烷凝胶存储在１７５℃以上的环境中超过１０００ｈ比较脆，降低介电性能和力学性能。普通有机硅凝胶存储在２００℃环境中会开裂和黄变，降低了材料性能，这是因为有机硅凝胶纯度不足导致，出现此种情况是受制备工艺和原材料纯度等影响所致。过高的离子含量有机硅凝胶在长时间的高电场和高温环境下会出现硬化、黄变和金属离子迁移等情况，对ＩＧＢＴ模块可靠性造成影响。所以，要重视有机硅凝胶。瓦克所开发的超纯度有机硅凝胶总残余离子含量不超过２×１０－６，在ＩＧＢＴ模块封装方式不断发展的过程中，对有机硅凝胶在封装中的使用提出了一定的要求，有机硅凝胶的耐高温性、高纯度与高阶电性为发展主要方向。

 

３ 环氧塑封材料特性分析

环氧塑封材料能够对电路内部芯片进行保护，避免外界环境影响到芯片，所以使用热导率和机械强度比较高。通过构成方面分析，封装材料包括塑料、陶瓷和金属等，塑料封装材料占据９５％左右。塑封材料重点为环氧树脂，在汽车行业、航空航天和电力电子方面广泛使用。

环氧塑封材料指的是高分子复合材料，将环氧树脂作为机体，使固化促进剂、固化剂、填充剂等根据一定比例利用适当工艺混合成为环氧模塑料。环氧树脂的主要性能为具备良好粘接性，和大部分物质都具备良好粘附性；具有良好收缩性，通过交联固化并不会产生小分子副产物；交联后构成三维立体结构，力学性能良好。国外环氧树脂塑料产业发展比较早，并且产品大部分都处于高端的位置。我国环氧树脂产业的起步比较晚，目前出现了大批全新的环氧树脂产业。环氧塑封材料具备刚性特性和热膨胀系数的特点，并且耐温性能有限，所以中低压ＭＯＳＦＥＴ电力电子模块被广泛使用。

 

４ 环氧灌封胶特性分析

在ＩＧＢＴ模块运行的过程中会受到高潮湿、冲击、机械振动等不利因素的影响，所以要求环氧灌封胶的抗冲击性、硬度和吸水率可靠性良好。热失效会导致ＩＧＢＴ失效，所以要对ＩＧＢＴ封装材料热性能进行重视。环氧树脂和固化物交联密度、分子量等都会对分子链段运动造成阻碍，影响到灌封胶的热稳定性。图１为不同环氧灌封胶热失重分析曲线，通过ＴＧＡ曲线对比起始分解温度和不同温度残留率。通过对比分析，２号环氧灌封胶的耐热性良好。

此环氧灌封胶树脂类型指的是低粘度脂环族环氧树脂，固化剂为甲基六氢苯酐的促进剂。通过ＴＭＡ测试结果表示，此环氧灌封胶使用大分子链的酚醛树脂，分子柔性比较大。

温度变化会使环氧灌封胶体开裂，从而影响到封装结果。所以，环氧灌封胶温度性能对于ＩＧＢＴ模块的影响是最大的。使用的环氧灌封胶能够通过高温存储测试，具有较大的ＣＴＥ值，通过温度循环和低温存储后脱离外壳和胶体，封装失效，说明耐高温下的环氧灌封胶出现问题，所以要对其应用、种类和氧含量进行调整和优化。

 

５ 结语

电力电子器件朝着高电压、高温度的方向发展， 促进封装结构朝着微型化、高功率密度化的方向发展，对于封装材料的要求比较高。为了使电力电子封装材料应用效果得到提高，在此方面要加大投入，针对材料性能和自身分子结构的关系实现关联机制 的创建，从而开发耐高温、导热性的材料，促进电力电子器件朝着高温工作方向发展。

来源：粘接 ２０２３ 年 １１ 月第 ５０ 卷第 １１ 期

作者：戴晓非 国网新疆电力有限公司 阿克苏供电公司

审核编辑：刘清