CN104178080B - 一种高强度igbt大功率模块封装硅胶及其封装工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高强度IGBT大功率模块封装硅胶及其封装工艺，该封装胶强度高，可以抵抗外部的冲击，耐候性佳，与IGBT功率模块具有很好的兼容和粘附强度。有效的起到对IGBT功率模块的保护和绝缘作用。满足在大功率、高频率、高电压、大电流的IGBT功率模块封装要求。本发明的硅胶，为双组份加热固化型胶黏剂，由A组分和B组分按照1：1混合而成。

Description

一种高强度IGBT大功率模块封装硅胶及其封装工艺
技术领域
本发明涉及有机硅封装硅胶技术领域，具体涉及一种高强度IGBT大功率模块封装硅胶及其封装工艺。
背景技术
IGBT(InsulatedGateBipolarTransisitor)是绝缘栅双极型晶体管的英文缩写，是一种MOSFET与双极晶体管复合的器件，功率MOSFET易于驱动，控制简单，开关频率高，功率晶体管的导通电压低，通态电流大，损耗小。在中、高频率应用中，实现主导地位。作为一种新型的功率器件，IGBT最大的特点就是节能和高能效，已经在节能市场领域获得较为广泛的应用。
在中国IGBT行业中，中端技术已有突破，基本形成从芯片设计到芯片封装，目前需要解决的是“进口替代”，做到IGBT关键原料的国产化。这样才能拥有较好的IGBT的产业规模，使智能电网、高铁建设、新能源汽车以及家电节能等本土市场快速发展。
应用在IGBT功率模块封装上的有机硅封装胶具有更为高的要求才能满足并实现IGBT的逆变功能，实现直流电变为可控的交流电的转换。目前国内的有机硅市场上，开始陆续出现IGBT功率模块封装用的有机硅胶的一些报导，针对该应用领域提出更为苛刻的要求。目前的硅胶的问题是耐候性和抗冲击效果差，不能较好的与模块兼容和粘附，极易透水和透氧，造成模块的快速老化，只能适用中低频率的器件。而可以满足大功率、高频率、高电压、大电流的IGBT功率模块封装硅胶暂时还没有报道。
发明内容
本发明提供一种高强度IGBT大功率模块封装硅胶及其封装工艺，该封装胶强度高，可以抵抗外部的冲击，耐候性佳，与IGBT功率模块具有很好的兼容和粘附强度。有效的起到对IGBT功率模块的保护和绝缘作用。满足在大功率、高频率、高电压、大电流的IGBT功率模块封装要求。
本发明的技术方案是：一种高强度IGBT大功率模块封装硅胶，为双组份加热固化型胶黏剂，包括A组分和B组分，其中；
a)A组分：
甲基乙烯基聚硅氧烷树脂40～50份
甲基乙烯基硅油23～50份
冲击改性剂5～15份
耐候剂1～5份
粘附力剂3～6份
催化剂0.1～1份
b)B组分：
甲基乙烯基聚硅氧烷树脂30～50份
甲基乙烯基硅油30～50份
交联剂5～20份
抑制剂0.1～0.5份；
A组分和B组分的质量比为1：1。
由于本发明摒弃了常规的有机硅封装硅胶，解决了常规封装硅胶强度低，与IGBT模块兼容性和粘附强性差，抗冲击效果差，耐候性不佳，极易透水和透氧等缺陷，与现有技术相比，具有更高的强度和抗冲击的性能，耐候性，兼容和粘附性，具有较低的吸水率和吸氧率，而且对其封装工艺进行了探讨，这样更有效的保护器件模块，保证在IGBT功率模块工艺条件下稳定运行。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：针对本发明中出现的Me为甲基，Vi为乙烯基，Ph为苯基。
本发明的甲基乙烯基聚硅氧烷树脂为液体的乙烯基树脂。
进一步，所述甲基乙烯基聚硅氧烷树脂为以下结构式(1)和结构式(2)中的一种或二者的混合；
(Me3SiO0.5)a(ViMe2SiO0.5)b(SiO2)(1)
其中，a＝0.6～1.2，b＝0.6～1.2
(Me3SiO0.5)c(ViMe2SiO0.5)d(Me2SiO)(MeSiO1.5)(2)
其中，c＝0.7～1.2，d＝0.4～1.3。
进一步，所述甲基乙烯基硅油为以下结构式(3)和结构式(4)中的一种或二者的混合；
(ViMe2SiO0.5)(Me2SiO)e(ViMe2SiO0.5)(3)
其中，e＝50～200
(ViMe2SiO0.5)(Me2SiO)f(ViMeSiO)g(ViMe2SiO0.5)(4)
其中，f＝30～200，g＝60～100。
进一步，所述交联剂为以下结构式(5)和结构式(6)中的一种或二者的混合；
(HMe2SiO0.5)(Me2SiO)i(HMe2SiO0.5)(5)
其中，i＝4～20
(Me3SiO0.5)(Me2SiO)j(HMeSiO)k(Me3SiO0.5)(6)
其中，j＝6～18，k＝2～10。
进一步，所述冲击改性剂的结构式如通式(7)所示：
其中，x＝5～20，y＝5～20，z＝10～50。
采用上述进一步方案的有益效果是：增加封装硅胶对高低温，冷热环境以及外部的压力等的抗冲击能力。
进一步，所述耐候剂的结构式如通式(8)所示：
其中，m＝4～10，n＝8～20。
采用上述进一步方案的有益效果是：提高封装硅胶的耐候性和使用寿命，满足IGBT功率模块在各种恶劣环境和气候条件下的安全运行。
进一步，所述粘附力剂的结构式如通式(9)所示：
其中，h＝5～20。
采用上述进一步方案的有益效果是：增加与IGBT功率器件的键合，兼容和粘附。防止水分和氧气等的进入，避免老化开裂和分层。
进一步，所述催化剂为铂系催化剂。
优选的，所示催化剂为铂-甲基乙烯基聚硅氧烷配合物，铂含量为3000～7000ppm。
进一步，所述抑制剂为炔醇类物质。
优选的，所述抑制剂为3-甲基-1-丁炔-3-醇、3-甲基-1-戊炔-3-醇、3，5-二甲基-1-己炔-3-醇中的任意一种。
更优选的，所述抑制剂为3-甲基-1-丁炔-3-醇。
本发明第二方面公开了制备前述高强度IGBT大功率模块封装硅胶的方法，包括以下步骤：
A组分的制备：室温下，称量甲基乙烯基聚硅氧烷树脂40～50份、甲基乙烯基硅油23～50份、冲击改性剂5～15份、耐候剂1～5份、粘附力剂3～6份、催化剂0.1～1份依次加入双行星高速分散机中，充分搅拌混合均匀，抽真空后灌装并密封保存完成。
B组分的制备：室温下，称量甲基乙烯基聚硅氧烷树脂30～50份、甲基乙烯基硅油30～50份、交联剂5～20份、抑制剂0.1～0.5份依次加入双行星高速分散机中，充分搅拌混合均匀，抽真空后灌装并密封保存完成。
优选的，A组分的制备过程中搅拌时间为2h，B组分的制备过程中搅拌时间为2h。
本发明还公开了前述高强度IGBT大功率模块封装硅胶在IGBT功率模块封装工艺中的应用。
本发明所述的封装硅胶应用在IGBT功率模块上的封装工艺步骤，包括：对来料检验，芯片焊接，检验焊接空洞，等离子清洗，铝线邦定，电参数测试，焊接铜底板和DBC，将A组分和B组分按1：1的重量配比混合均匀，真空脱泡，灌注IGBT功率模块器件上，安装外壳，100～150℃加热0.4～2小时固化，最后安装盖板。
有益效果：本发明的封装胶强度高，可以抵抗外部的冲击，具有较低的吸水率和吸氧率，耐候性佳，与IGBT功率模块具有很好的兼容和粘附强度，有效的起到对IGBT功率模块的保护和绝缘作用。
附图说明
图1为本发明高强度IGBT模块封装硅胶的应用示意图；
①母排端子；②树脂；③本发明封装硅胶；④焊层；⑤紧固件；⑥超声引线缝合；⑦散热器；⑧导热胶；⑨基板；⑩铜；衬板；芯片。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
A组分的制备：室温下，称量甲基乙烯基聚硅氧烷树脂如结构式(1)，其中，a＝0.6，b＝1.2，取40份；甲基乙烯基硅油如结构式(3)，其中e＝50，取50份；冲击改性剂，如结构式(7)，其中，x＝5，y＝5，z＝10，取5份；耐候剂，如结构式(8)，其中，m＝4，n＝8，取1份；粘附力剂，如结构式(9)，其中，h＝5，取3份；催化剂，铂-甲基乙烯基聚硅氧烷配合物，铂含量为3000ppm，取1份，依次加入行星高速分散机中，充分搅拌2小时，混合均匀，抽真空后灌装并密封保存完成。
B组分的制备：室温下，称量甲基乙烯基聚硅氧烷树脂如结构式(2)，其中，c＝0.7，d＝1.3，取50份；甲基乙烯基硅油如结构式(4)f＝30，g＝60，取30份；交联剂如结构式(5)，其中，i＝4，取5份，交联剂如结构式(6)，其中其中，j＝6，k＝10，取15份；抑制剂，3-甲基-1-丁炔-3-醇，取0.1份；依次加入行星高速分散机中，充分搅拌2小时，混合均匀，抽真空后灌装并密封保存完成。
对来料检验，芯片焊接，检验焊接空洞，等离子清洗，铝线邦定，电参数测试，焊接铜底板和DBC，将A组分和B组分按1：1的重量配比混合均匀，真空脱泡，灌注IGBT功率模块器件上，安装外壳，150℃加热0.4小时固化，最后安装盖板。
实施例2
A组分的制备：室温下，称量甲基乙烯基聚氧烷树脂如结构式(2)，其中，c＝1.2，d＝0.4，取50份；甲基乙烯基硅油如结构式(4)，其中f＝200，g＝100，取23份；冲击改性剂，如结构式(7)，其中，x＝20，y＝20，z＝50，取15份；耐候剂，如结构式(8)，其中，m＝10，n＝20，取5份；粘附力剂，如结构式(9)其中，h＝20，取6份；催化剂，铂-甲基乙烯基聚硅氧烷配合物，铂含量为7000ppm，取0.1份，依次加入行星高速分散机中，充分搅拌2小时，混合均匀，抽真空后灌装并密封保存完成。
B组分的制备：室温下，称量甲基乙烯基聚硅氧烷树脂如结构式(1)，其中，a＝1.2，b＝0.6，取30份；甲基乙烯基硅油如结构式(3)其中e＝200，取50份；交联剂如结构式(5)，其中，i＝20，取2份，交联剂如结构式(6)，其中，j＝18，k＝2，取3份；抑制剂，3-甲基-1-戊炔-3-醇，取0.5份；依次加入行星高速分散机中，充分搅拌2小时，混合均匀，抽真空后灌装并密封保存完成。
对来料检验，芯片焊接，检验焊接空洞，等离子清洗，铝线邦定，电参数测试，焊接铜底板和DBC，将A组分和B组分按1：1的重量配比混合均匀，真空脱泡，灌注IGBT功率模块器件上，安装外壳，100℃加热2小时固化，最后安装盖板。
实施例3：
A组分的制备：室温下，称量甲基乙烯基聚氧烷树脂如结构式(1)，其中，a＝1.0，b＝0.8，取45份；甲基乙烯基硅油如结构式(3)，其中e＝100，取40份；冲击改性剂，如结构式(7)，其中，x＝12，y＝14，z＝22，取10份；耐候剂，如结构式(8)，其中，m＝8，n＝12，取3份；粘附力剂，如结构式(9)，其中，h＝10，取5份；催化剂，铂-甲基乙烯基聚硅氧烷配合物，铂含量为5000ppm，取0.5份，依次加入行星高速分散机中，充分搅拌2小时，混合均匀，抽真空后灌装并密封保存完成。
B组分的制备：室温下，称量如结构式(1)所示的甲基乙烯基聚硅氧烷树脂20份，其中，a＝1.0，b＝0.8；称量如结构式(2)所示的甲基乙烯基聚硅氧烷树脂20份，其中，c＝0.8，d＝0.9；称量结构式如式(3)所示的甲基乙烯基硅油20份，其中e＝100，称量结构式如式(4)所示的甲基乙烯基硅油20份，其中f＝80，g＝70；交联剂如结构式(6)，其中，j＝9，k＝7，取18份；抑制剂，3，5-二甲基-1-己炔-3-醇，取0.3份；依次加入行星高速分散机中，充分搅拌2小时，混合均匀，抽真空后灌装并密封保存完成。
对来料检验，芯片焊接，检验焊接空洞，等离子清洗，铝线邦定，电参数测试，焊接铜底板和DBC，将A组分和B组分按1：1的重量配比混合均匀，真空脱泡，灌注IGBT功率模块器件上，安装外壳，120℃加热0.6小时固化，最后安装盖板。
对比例1
对比例1的封装硅胶的组成与实施例1基本相同，仅缺乏冲击改性剂，具体如下：
A组分的制备：室温下，称量甲基乙烯基聚硅氧烷树脂如结构式(1)，其中，a＝0.6，b＝1.2，取40份；甲基乙烯基硅油如结构式(3)，其中e＝50，取50份；耐候剂，如结构式(8)，其中，m＝4，n＝8，取1份；粘附力剂，如结构式(9)，其中，h＝5，取3份；催化剂，铂-甲基乙烯基聚硅氧烷配合物，铂含量为3000ppm，取1份，依次加入行星高速分散机中，充分搅拌2小时，混合均匀，抽真空后灌装并密封保存完成。
B组分的制备：室温下，称量甲基乙烯基聚硅氧烷树脂如结构式(2)，其中，c＝0.7，d＝1.3，取50份；甲基乙烯基硅油如结构式(4)f＝30，g＝60，取30份；交联剂如结构式(5)，其中，i＝4，取5份，交联剂如结构式(6)，其中，j＝6，k＝10，取15份；抑制剂，3-甲基-1-丁炔-3-醇，取0.1份；依次加入行星高速分散机中，充分搅拌2小时，混合均匀，抽真空后灌装并密封保存完成。
对来料检验，芯片焊接，检验焊接空洞，等离子清洗，铝线邦定，电参数测试，焊接铜底板和DBC，将A组分和B组分按1：1的重量配比混合均匀，真空脱泡，灌注IGBT功率模块器件上，安装外壳，150℃加热0.4小时固化，最后安装盖板。
对比例2
对比例2的封装硅胶的组成与实施例2基本相同，仅缺乏耐候剂，具体如下：
A组分的制备：室温下，称量甲基乙烯基聚氧烷树脂如结构式(2)，其中，c＝1.2，d＝0.4，取50份；甲基乙烯基硅油如结构式(4)，其中f＝200，g＝100，取23份；冲击改性剂，如结构式(7)，其中，x＝20，y＝20，z＝50，取15份；粘附力剂，如结构式(9)其中，h＝20，取6份；催化剂，铂-甲基乙烯基聚硅氧烷配合物，铂含量为7000ppm，取0.1份，依次加入行星高速分散机中，充分搅拌2小时，混合均匀，抽真空后灌装并密封保存完成。
B组分的制备：室温下，称量甲基乙烯基聚硅氧烷树脂如结构式(1)，其中，a＝1.2，b＝0.6，取30份；甲基乙烯基硅油如结构式(3)其中e＝200，取50份；交联剂如结构式(5)，其中，i＝20，取2份，交联剂如结构式(6)，其中，j＝18，k＝2，取3份；抑制剂，3-甲基-1-戊炔-3-醇，取0.5份；依次加入行星高速分散机中，充分搅拌2小时，混合均匀，抽真空后灌装并密封保存完成。
对来料检验，芯片焊接，检验焊接空洞，等离子清洗，铝线邦定，电参数测试，焊接铜底板和DBC，将A组分和B组分按1：1的重量配比混合均匀，真空脱泡，灌注IGBT功率模块器件上，安装外壳，100℃加热2小时固化，最后安装盖板。
对比例3
对比例3的封装硅胶的组成与实施例3基本相同，仅缺乏粘附力剂，具体如下：
A组分的制备：室温下，称量甲基乙烯基聚氧烷树脂如结构式(1)，其中，a＝1.0，b＝0.8，取45份；甲基乙烯基硅油如结构式(3)，其中e＝100，取40份；冲击改性剂，如结构式(7)，其中，x＝12，y＝14，z＝22，取10份；耐候剂，如结构式(8)，其中，m＝8，n＝12，取3份；催化剂，铂-甲基乙烯基聚硅氧烷配合物，铂含量为5000ppm，取0.5份，依次加入行星高速分散机中，充分搅拌2小时，混合均匀，抽真空后灌装并密封保存完成。
B组分的制备：室温下，称量如结构式(1)所示的甲基乙烯基聚硅氧烷树脂20份，其中，a＝1.0，b＝0.8；称量如结构式(2)所示的甲基乙烯基聚硅氧烷树脂20份，其中，c＝0.8，d＝0.9；称量结构式如式(3)所示的甲基乙烯基硅油20份，其中e＝100，称量结构式如式(4)所示的甲基乙烯基硅油20份，其中f＝80，g＝70；交联剂如结构式(6)，其中，j＝9，k＝7，取18份；抑制剂，3，5-二甲基-1-己炔-3-醇，取0.3份；依次加入行星高速分散机中，充分搅拌2小时，混合均匀，抽真空后灌装并密封保存完成。
对来料检验，芯片焊接，检验焊接空洞，等离子清洗，铝线邦定，电参数测试，焊接铜底板和DBC，将A组分和B组分按1：1的重量配比混合均匀，真空脱泡，灌注IGBT功率模块器件上，安装外壳，120℃加热0.6小时固化，最后安装盖板。
对实施例1-3及对比例1-3获得的封装硅胶的性能进行检测及比较，试验结果如表1所示。
表1封装硅胶性能检测结果
使用本发明的硅胶封装对IGBT大功率模块进行封装，在功率模块正反面间加电压(≥6500V)，测量其放电量，即进行绝缘局放测试实验，放电量小于10P库，则认为测试通过。测试结果如下表2所示。
表2绝缘局放测试实验结果
实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 对比例2 对比例3
pc6500V 1.72 1.02 1.69 10.33 11.28 12.69
测试结果 合格 合格 合格 失效 失效 失效
从表中可以看出，与实施例1-3相比，对比实施例1的抗冲击强度明显不足，对比实施例2的耐候性差，对比实施例3的粘附力不足。对比实施例1-3缺少其中的任何一个(冲击改性剂，耐候剂，粘附力剂)都会影响其的透水性和透氧率，并且对比实施例1-3的IGBT功率模块的测试结果表明均为失效状态，不能适用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高强度IGBT大功率模块封装硅胶，包括A组分和B组分，其中,
A组分：
B组分：
A组分和B组分的质量比为1：1；
所述冲击改性剂的结构式如通式(7)所示，其中，x＝5～20，y＝5～20，z＝10～50，
所述耐候剂的结构式如通式(8)所示，其中，m＝4～10，n＝8～20，
所述粘附力剂的结构式如通式(9)所示，其中，h＝5～20，
2.根据权利要求1所述的一种高强度IGBT大功率模块封装硅胶，其特征在于，所述甲基乙烯基聚硅氧烷树脂为以下结构式(1)和结构式(2)中的一种或二者的混合；
(Me3SiO0.5)a(ViMe2SiO0.5)b(SiO2)(1)
其中，a＝0.6～1.2，b＝0.6～1.2
(Me3SiO0.5)c(ViMe2SiO0.5)d(Me2SiO)(MeSiO1.5)(2)
其中，c＝0.7～1.2，d＝0.4～1.3。
3.根据权利要求1所述的一种高强度IGBT大功率模块封装硅胶，其特征在于，所述甲基乙烯基硅油为以下结构式(3)和结构式(4)中的一种或二者的混合；
(ViMe2SiO0.5)(Me2SiO)e(ViMe2SiO0.5)(3)
其中，e＝50～200
(ViMe2SiO0.5)(Me2SiO)f(ViMeSiO)g(ViMe2SiO0.5)(4)
其中，f＝30～200，g＝60～100。
4.根据权利要求1所述的一种高强度IGBT大功率模块封装硅胶，其特征在于，所述交联剂为以下结构式(5)和结构式(6)中的一种或二者的混合；
(HMe2SiO0.5)(Me2SiO)i(HMe2SiO0.5)(5)
其中，i＝4～20
(Me3SiO0.5)(Me2SiO)j(HMeSiO)k(Me3SiO0.5)(6)
其中，j＝6～18，k＝2～10。
5.根据权利要求1所述的一种高强度IGBT大功率模块封装硅胶，其特征在于，所述催化剂为铂系催化剂；所述抑制剂选自3-甲基-1-丁炔-3-醇、3-甲基-1-戊炔-3-醇、以及3，5-二甲基-1-己炔-3-醇中的任意一种。
6.权利要求1-5任一权利要求所述的高强度IGBT大功率模块封装硅胶在IGBT功率模块封装工艺中的应用。
7.权利要求1-5任一权利要求所述的高强度IGBT大功率模块封装硅胶的制备方法，包括以下步骤：
1)A组分的制备：室温下，称量甲基乙烯基聚硅氧烷树脂40～50份、甲基乙烯基硅油23～50份、冲击改性剂5～15份、耐候剂1～5份、粘附力剂3～6份、催化剂0.1～1份依次加入双行星高速分散机中，充分搅拌混合均匀，抽真空后灌装并密封保存完成；
2)B组分的制备：室温下，称量甲基乙烯基聚硅氧烷树脂30～50份、甲基乙烯基硅油30～50份、交联剂5～20份、抑制剂0.1～0.5份依次加入双行星高速分散机中，充分搅拌混合均匀，抽真空后灌装并密封保存完成。
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