IGBT模块的塑模材料、环氧树脂和硅胶

塑模化合物用来封装小电流、低电压的分立IGBT或IGBT模块。封装的模块通常用于断电压等级为600V且电流小于10A的应用中。然而,随着技术不断发展,这种技术在大功率和更高阻断电压场合中的应用逐渐增多。塑模化合物主要成分是20%~30%的环氧树脂、石英、阻燃剂和固化剂。模制化合物在大于6MPa压力下,同时高于170℃的温度下压注而成。这个过程也叫树脂塑模,有些厂家也称之为压注模块。图1给出了模块的环氧层和塑模模块。

图1 模块的环氧层和塑模模块

 
环氧树脂因为具有很好的介电性能,一直以来作为主要绝缘材料普遍应用于标准IGBT模块。类似于塑模材料,环氧树脂也是一种聚合物。根据不同的化学反应,同时添加合适的硬化剂就可以得到高度刚性和化学性能稳定的热固性塑料。环氧树脂一旦和硬化剂混合,原先的液体混合物通常会在几分钟到几个小时的时间内硬化,这取决于液体的组成和温度。根据选择的树脂体系类型,热固化最终产物的热稳定性可以大于250℃。相反,冷硬化的玻化温度大约是60℃。与聚酯树脂不同,环氧树脂混合是必须遵守树脂/固化剂化学计量的比例。否则,部分环氧树脂或硬化剂不能形成反应物,导致最终产品的表面很黏且达不到预期指标。由于无法完全避免该效应,因此环氧树脂在现代电力电子技术制造业并不常用。制造商们避免使用环氧树脂而转向软铸造树脂/绝缘化合物,比如硅胶。
 

与环氧树脂相比,硬化之后的硅胶不是刚性的,或者说是有可能改变的,仍然具有弹性。硅胶都具有良好的电绝缘性,且工作环境温度可在-100℃到超过200℃。在一些边界件下,例如短路,功率半导体芯片可能出现超过200℃的高温,因此硅胶受到电力电子制造商的青睐。由于它的凝胶状结构,硅胶具有灵活的热和机械特性,这意味着在不同封装元件的材料之间没有差别。另一方面,其机械刚性不足意味着当使用硅胶时,塑料外壳必须具有一定的强度。
 

硅胶的一个缺点是会释放高挥发性的硅酮,这阻碍了IGBT模块在无硅环境下的使用,比如自动喷漆线。硅胶也可以从空气中吸收水分,其中可能含有一些含硫物质(例如氢硫化物)。如果这种被污染的混合物到达DCB的铜表面，可以形成导电的硫化铜(CuS),并沿电场蔓延,如图2所示。镀镍的DCB可以抑制这种化学过程,从而可以避免电力电子器件因为硫化铜短路而损坏。

图2 在电场内生成DCB硫化铜

 
  最后应该要提到的是,硅胶和环氧树脂一旦经过处理且硬化后,对人体健康没有危害。图3给出了含有和不含环氧树脂的标准IGBT模块的结构。

图3 含有和不含环氧树脂的标准IGBT模块结构

来源：海飞乐技术