IGBT模块用环氧灌封胶流变特性

摘要：对IGBT用环氧灌封胶的流变性能进行分析，以粘度为基础，依据双阿伦尼乌斯方程建立与实测数据基本吻合的流变学粘度模型方程，利用建立的模型方程对环氧灌封胶的使用工艺进行了分析。结果表明，环氧胶在50～90℃范围内起始粘度低，可操作时间大于30 min，且后期固化速率较高，符合灌封使用要求。可以认为所建立的粘度模型方程可有效预测和模拟环氧胶体系在不同工艺条件下的流变行为，可预测出体系的优化工艺参数和低粘度温度区间，为拟订合理的工艺参数提供必要的依据。

关键词：大功率IGBT；环氧树脂灌封胶；流变性能；粘度模型

0 前言

IGBT即绝缘栅双极型晶体管，具有开关速度快、功率输出高、尺寸小以及在终端应用中的可靠性高等优势，在智能电网、轨道交通、航空航天、新能源等领域广泛应用[1-2]。目前中功率IGBT模块应用于高铁、电动汽车、风力电机上时，需要经受低温、高温、湿热、振动、外力冲击等外界不利因素的影响，因此IGBT模块的封装材料必须具有良好的环境适应性。以碳化硅芯片（SiC）为基础的新一代大功率IGBT模块对封装材料要求更为苛刻，不仅要求封装材料粘度低，还要求材料在长时间范围内耐受超过180℃的高温。环氧树脂是一类分子中含有2个或2个以上环氧基团的有机高分子化合物，具有粘结性强、电气绝缘性好、耐化学腐蚀性强、配方设计灵活多样等特点，且固化过程无副产物，固化物尺寸稳定性好，设备要求低，工艺性好，目前已经被运用在IGBT模块的封装保护中[3]。采用环氧树脂封装形成的保护层能有效强化芯片的整体性，提高对外来冲击、震动的抵抗力，保持芯片的绝缘性，避免电子元件中线路暴露，提高其防水和防潮的能力，能有效延长电子元器件的使用周期[4]。

近年来，在国家节能减排、加强自主创新能力的政策支持下，我国IGBT模块的设计、制造、封装、试验检测与产业化能力都取得了长足的进步。但IGBT封装所使用的环氧胶主要还是依赖进口，存在采购价格高，采购周期长的缺点。随着IGBT模块的高频大功率化，对大功率IGBT用环氧灌封胶的性能要求越来越苛刻，要求耐受温度高、灌封胶起始粘度低、适用周期长，电气绝缘性高的特点。为了更好地将大功率IGBT环氧灌封胶应用于模块的灌封工艺，需要研究灌封胶的流变特性，也就是固化特性和粘度特性，这是合理选择和优化工艺参数所必需的数据及理论基础。本文以前期自主研发的高性能环氧胶为研究基础[5-6]，对所制备的大功率IGBT用环氧树脂灌封胶体系的流变性进行了系统研究和比较。本文以粘度数据为基础，依据双阿伦尼乌斯方程建立了与试验数据基本吻合的流变学模型方程，并利用所建立的模型方程预测了此环氧胶从室温至120℃的粘温曲线，分析得到其最佳的使用温度，为拟订该环氧胶合理的工艺参数提供必要的理论依据。

1 试验部分

1.1 试验原材料

E-51，无锡树脂厂；DER 331，DOW化学；甲基六氢苯酐，武汉合中生化；乙二醇二缩水甘油醚，百灵威科技；活性环氧增韧剂，自制；邻苯二甲酸二丁酯，金陵石化；促进剂DMP-30，常州山峰化工；分散剂和消泡剂，毕克化学；炭黑，德固赛化学；325目碳酸钙，湖南碳酸钙厂；600目硅微粉，浙江湖州硅微粉厂；1000目氢氧化铝，常州市巨龙粉体化学。

1.2 环氧灌封胶制备

（1）树脂组分（A组分）：将和E-51按重量比1:1混合均匀，添加20PHR乙二醇二缩水甘油醚、15PHR的自制增韧剂以及适量分散剂、脱泡剂和炭黑，用高速分散机分散30min后加入一定比例的无机填料，继续分散使组分中环氧树脂与无机填料完全混合均匀；最后真空脱泡，得到A组分，外观为黑色可流动粘稠液体；

（2）固化剂组分（B组分）：按环氧基与酸酐物质的量之比10:8的比例加入甲基六氢邻苯酐固化剂，添加10PHR邻苯二甲酸二丁酯、0.5PHR的促进剂，再加入适量分散剂和脱泡剂，混合均匀并加入一定组分的填料，用高速分散机分散后真空脱泡，即得到B组分，外观是浅黄色可流动粘稠液体。

1.3 试验仪器

NDJ-5S数字式粘度计，上海精天电子仪器有限公司；SC-5S粘度计专用恒温槽，长沙思辰仪器科技有限公司。

1.4 试样制备及性能测试

分别将A、B两个组分的胶加热至30℃后按重量比1:1称取，高速搅拌均匀后进行脱泡处理后待用。

（1）采用旋转粘度计测量树脂体系在升温状态下的粘度变化；

（2）根据树脂体系的动态粘度分析，选取适当的温度点测量恒温状态下的粘度。

2 结果与讨论

2.1 动态粘温特性

IGBT环氧胶A+B混合后的组分体系的动态粘温曲线见下图1所示。

图1 IGBT环氧灌封胶温度与粘度关系曲线图

由图1可见，环氧灌封胶体系的黏度变化随温度变化的情况基本是一致的：随着温度的升高，其粘度呈现较明显的下降趋势。这是由于温度的升高有利于树脂分子链的运动，导致体系的粘度降低。在环氧胶操作温度大于50℃时，体系粘度下降到·s以下，基本符合大功率IGBT模块封装工艺对其树脂粘度的要求。

2.2等温粘度特性

通过我们对图1中动态粘度试验数据可以看出，环氧胶操作温度在高于50℃以上时体系粘度能够符合灌封的使用要求，为了进一步分析50℃以上环氧胶的流变行为，分别选取50℃、60℃、70℃、80℃为等温测试点，测试环氧胶在恒温条件下的粘度变化曲线，如图2所示。

图2 IGBT环氧灌封胶体系的等温粘度曲线

从图2可以看出，环氧胶的初始粘度随操作温度的提高而降低，因此，可以通过提高操作温度降低环氧胶的初始粘度，以便于灌封操作；但是，随着操作温度的提高，环氧胶的固化速率加快，可操作时间也相应缩短。

2.3 粘度流变模型建立

依据经验公式，环氧胶的粘度受温度和交联度变化的综合影响，温度上升有利于树脂分子链段的运动，导致环氧胶粘度降低；交联度的增加却会阻碍树脂分子链段的运动，导致粘度上升。温度和交联度的综合影响可以采用如下方程式表达[7-9]：

η(t)= η0exp(nt) （1）

式中：η(t)—为t时刻的粘度；

η0—为起始时刻的粘度，受温度影响的参数，设定其为温度因子；

n—为模型参数，是受交联度影响的参数，设定其为交联度因子。

η0和n均符合阿伦尼乌斯关系：

η0=k1exp(k2/T)（2）

n=k3exp(k4/T) （3）

2.3.1流变模型起始粘度（η0）的确定

为确定起始粘度（η0）的模型参数k1、k2，并预测所有温度下的起始粘度，将（2）式取自然对数后可得如下变换：

lnη0=lnk1+k2/T （4）

结合图1中环氧胶起始粘度和温度关系数据做lnη0-1/T图，如图3所示：

图3 IGBT环氧树脂灌封胶体系lnη0-1/T关系

图3中符号为环氧树脂灌封胶粘度的实际测量值，直线为线性拟合曲线。从图中可以发现，实测粘度数据与线性拟合直线线性关系较好，这说明实验所检测数据与理论模型较吻合，理论模型方程比较理想。由lnη0和1/T曲线进行线性分析可得：

k1=7.947×10-5；

k2=6034。

将k1、k1代入公式（2）即得到环氧胶的起始粘度模型参数方程：

η0=7.947×10-5exp(6034/T)（5）

2.3.2 流变模型交联度（n）的确定

为了计算出交联度因子的模型参数k3、k4，将图2的等温粘度曲线中的粘度η(t)除以初始时刻的粘度η0，并对时间作图，得修正粘度曲线，如图4所示。

图4 IGBT环氧灌封胶体系η(t)/η0与时间关系曲线

为计算等温温度下的模型参数n，对图4曲线采用模型方程式（1）进行非线性最小方差拟合，其拟合曲线见图5。

图5 IGBT环氧树脂胶模型参数拟合曲线

由图5采用模型方程式（1）进行非线性最小方差拟合，非线性最小方差拟合结果可求得等温温度下的模型参数n，见表1。

表1 粘度模型拟合参数

为了计算出（3）中k3、k4值，将式（3）取自然对数后做lnn与1/T的关系图，结果如图6所示。

图6中符号为表1数据作图，直线为线性拟合曲线。由图6可知，lnn与1/T的线性关系吻合较好，也说明了修正粘度模型的有效性。将表1中n的值通过线性拟合后求得参数后计算得：

k3=7.3649×106；

k4=－6834。

将k3、k4代入公式（3）即得到环氧胶的交联度模型参数方程：

图6 IGBT环氧胶模型参数计算

2.3.3粘度流变模型方程验证

由式（1）、（5）和式（6）可以得到环氧胶的粘度流变模型方程：

ηt=7.9467×10-5exp(6034/T)exp[exp(15.812－6834/T)t]

为进一步验证粘度模型方程的有效性，作不同温度下的模型方程曲线图，并与实验所检测粘度（图2）相比较，其结果如图7所示。

图7 IGBT环氧胶粘度模型曲线与实验值对比

由图7可以看出，流变模型曲线与实验检测粘度基本吻合，这说明基于双阿伦尼乌斯方程建立的环氧胶粘度模型方程可以用来预测此环氧胶的化学流变行为。

2.4 粘度流变模型对环氧胶使用工艺分析

为了得到IGBT环氧胶最佳的使用工艺条件，我们利用流变模型对环氧胶的粘度（ηt）、操作时间（t）和操作温度（T）进行分析研究。分别计算出温度为20、30、40、50、60、70、80、90、100、110和120℃下IGBT环氧胶的操作时间和体系粘度的方程式后得不同温度下环氧胶混合时间/粘度关系曲线，见下图8。

图8 流变模型计算所得不同温度下环氧胶混合时间/粘度关系曲线图

通过图8，我们发现随着操作温度的升高，环氧胶的起始粘度越来越小，但操作时间越来越短，并且整体都呈上升趋势。可以将图8中曲线分为三大类：①20～50℃温度区间，在这个温度区间内，环氧胶的固化效率低且起始粘度大，基本不适合灌封工艺使用，但是能考虑采用刷涂工艺；②50～90℃区间，在这个温度区间内环氧胶固化效率较高且起始粘度比较小，可以将环氧胶加热至这个温度区间将粘度降低至10000 mP•s以下，再进行灌封操作工艺；③90～120℃区间，在这个温度区间环氧胶的固化效率极高，但可操作时间短，基本上不可能适合刷涂和灌封的使用工艺，因此，在使用尽量避免将环氧胶加热高于90℃使用。

3 结论

通过粘度检测为数据基础，依据双阿伦尼乌斯方程建立了流变学模型方程，并利用所建立的模型方程对环氧胶的使用工艺进行了分析，得出如下结论：

（1）IGBT环氧树脂灌封胶的流变特性可用双阿伦尼乌斯方程进行描述，所建立的树脂流变模型与实验检测结果基本一致，并且通过该模型可以较好地预测环氧胶体系的流变特性，为可靠、方便快捷的灌封工艺参数优化及实施提供一定的科学理论依据；

（2）通过模型方程预测IGBT环氧胶的操作时间与粘度的关系，可以发现当环氧胶在小于50℃下，可能适合刷涂工艺；当在50～90℃之间，环氧胶起始粘度较低、且可操作时间长且后期固化效率较高，适合灌封工艺；当温度高于90℃以后，环氧胶虽起始粘度低且固化效率极高，但可操作时间短，因此在使用尽量避免将环氧胶加热至高于90℃下使用。

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