胶天下 | IGBT导热灌封胶及功率器件温度高带来硅凝胶气泡问题工艺改进方案

IGBT导热灌封胶

近十年来，绝缘栅双极晶体管（ Gate  , IGBT）从芯片设计、工艺、测试到器件封装技术等方面均取得了重大进步。在器件封装方面，有机硅凝胶材料因其具有优良的耐温、防水和电气绝缘性能等，成为电子器件必不可少的封装绝缘材料。目前，硅基IGBT模块灌封用的有机硅凝胶是一种双组份加成型室温或加温硫化有机硅凝胶。

什么是IGBT?

IGBT结构

IGBT代表隔离栅双极晶体管 ( Gate  ) 。是一种用于开关和放大电力的功率半导体器件，具有栅、集电极和发射极。

它结合了的高速开关能力和双极晶体管的高电流处理能力。隔离栅提供了高输入阻抗，并减少了与双极晶体管相比的栅极驱动功率要求。

IGBT多以模块形式出现，由IGBT芯片与FWD ( Diode、续流二极管芯片)通过定制化的电路桥接，并通过框架、衬底及基板等封装成为模块化的产品。

功率器件温度高带来硅凝胶气泡问题工艺改进方案

图1 典型的IGBT模块封装剖面示意图

材料的制备工艺将决定材料的性能，使用性能优良的材料封装大功率半导体模块，有助于提升模块的质量和可靠性。随着半导体材料技术的突破，对功率器件电压和频率提出了更高的要求。更高电压和更快开关频率导致器件在工作过程中产生大量的热量，热量作为副产物影响了封装材料的绝缘性能。

基于目前工艺制备的有机硅凝胶灌封于IGBT模块中时，当器件内部温度升高到125℃时，有机硅凝胶内部将产生气泡，并且随着温度升高，硅凝胶内的气泡呈体积增大，数量增多的趋势。绝缘材料中的气泡将严重影响材料的绝缘性能，有待提出改进的有机硅凝胶制备工艺。

绝缘材料的击穿特性直接反映材料的绝缘水平，击穿场强是表征电介质绝缘特性的关键电气参数。目前，虽然在有机硅凝胶的耐电性能方面已开展了一些研究，但温度对有机硅凝胶材料工频耐电特性的影响规律和影响机制尚不明确。

图2 有机硅凝胶制备脱气曲线

针对以上问题，华北电力大学的研究人员详细地研究了有机硅凝胶的灌封工艺，针对有机硅凝胶应用过程中存在的问题，提出新的脱气曲线，改进有机硅凝胶的制备工艺，提升了有机硅凝胶的产品质量。

图3 硅凝胶工频耐电特性实验平台

图4 有机硅凝胶的击穿现象及击穿通道

研究人员还分析了温度对有机硅凝胶工频耐电特性的影响规律，他们发现，在测试温度范围内，有机硅凝胶的击穿电压随温度的升高而下降；而当温度达到200℃时，击穿场强降低为39.27kV/mm，约为常温下击穿场强值的一半。

研究人员测试了有机硅凝胶的热特性，分析了温度对有机硅凝胶工频耐电特性的影响机制。温度升高时，有机硅凝胶的自由体积增大，分子链段运动加剧；且有机硅凝胶内部载流子迁移率增大，漏电流增加，故温度升高后，有机硅凝胶的击穿电压降低。

IGBT有哪些应用?

IGBT是一种高电压高电流、高速开关的半导体器件，具有低开关损耗、高效率高速度等特点，广泛应用于各种功率电子设备和系统中。

交流变频器

IGBT可用于交流变频器中，控制电机的速度和转向，使电机实现高效、精准的控制，提高了工业自动化水平和生产效率。常见的应用包括:

空调、冰箱等家用电器中的电机控制/工业生产线上的电机控制/风力发电、太阳能发电中的变频器控制

新能源发电

在太阳能和风能发电中，IGBT主要应用在DC/DC升压、DC/AC逆变电路中，约占逆变器成本10%以上。IGBT模块失效将造成发电系统停机，带来巨大的发电量损其中一项重要的失效原因是:由于长期连续工作中产生大量的热量，导致超过元器材额定的作业温度，影响元器材的功能和寿命。统计数据表明，电子元器件工作温度每升高2°C，可靠性下降10%。温升50°C时的使用寿命只有温升25°C时的1/6。由此可见，IGBT模块的热管理至关重要。

汽车电子

IGBT可用于汽车电子中，如电动汽车、混合动力汽车的电机控制盒发送机等。IGBT可控制电动汽车的电机速度和转向，使其实现高效、精准的控制。IGBT功率模块失效将会导致车辆立刻失去动力，严重影响用户体验甚至驾车安全，因此汽车生产家需要IGBT模块在HEV全寿命周期中无需更换，对IGBT的环境可靠性提出了更高的要求。如：混合动力汽车中的发动机控制/电动汽车中的电机控制。

工业控制

IGBT可用于工业控制中，如UPS (不间断电源)、电力电子开关、电子照明等。常见的应用包括:电子照明中的电源控制/电力电子开关中的电流控制/UPS中的功率开关

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