作为新型功率半导体器件的主流器件，IGBT应用非常广泛，如家用电器、电动汽车、铁路、充电基础设施、充电桩，光伏、风能，工业制造、电机驱动，以及储能等领域。
IGBT模块的塑封材料采用PBT、PPA、PPS等工程塑料，IGBT对工程塑料有一些关键的性能要求：
①电气性能，IGBT对材料电气绝缘性有很高的要求；
②阻燃性，需要符合阻燃 UL94-V0 的标准；
③机械性能，壳体要求很好的机械性能，要通过冷热冲击的测试；
④耐水解性能，要适用高温高湿的环境；
⑤表面的质量，要求产品外观件的一致性和光泽度；
⑥颜色的稳定性，IGBT常用的本色或者白色经过长期使用后，不会出现化变色现象；
⑦激光打标，产品自动生产的可追溯性基本都是通过打标打二维码来实现。
作为原材料供应商，巴斯夫为IGBT行业主要提供一系列产品组合，按照工作温度来看，RTI至140℃至150℃（UL黄卡中的相对热指数RTI值为塑料长期使用温度的指标，表示可以在140℃-150℃的环境下长期使用），具有出色的电气性能。
● 巴斯夫Ultradur® B4406G6牌号材料为30%玻纤增强的高耐热性PBT 材料，RTI至140℃，CTI等级为PLC 3级，阻燃等级为V-0@0.4mm。
● Ultradur® B4450G5(HR)牌号材料为25%玻纤增强的高耐热性PBT 材料，RTI至140℃，绝缘性非常好，CTI达到最高等级600V（PLC0等级），阻燃等级为V-0@1.6mm。这款材料具有耐水解性能，可以应用在高温高湿环境中。
● Ultramid® B4441G5牌号材料为25%玻纤增强的高耐热性PBT 材料，RTI至140℃，具有出色的电气性能，CTI等级为PLC 0级，CTI已达到最高等级600V，阻燃等级为V-0@0.38mm。这款材料的绝缘性能、阻燃性能都很出色。
● 为满足更高的工作温度环境需求，巴斯夫推出RTI至150℃的30%玻璃纤维增强高温尼龙PA9T材料——Ultramid® Advanced N3U41G6，CTI达到最高等级600V（PLC0等级），阻燃等级为V-0@0.25mm。
● Ultradur®优化新产品
根据IGBT市场需求，巴斯夫对材料的阻燃性能、CTI电气绝缘性、流动性、加工性能都进行了改善，同时还满足激光打标的需求，研发出新款PBT材料Ultradur® B4407G6，它是在Ultradur® B4406G6基础上的升级，阻燃等级为V-0@0.3mm，CTI 达到PLC 2 级，拥有更高的电气绝缘性。MVR（熔融指数）达到15cm³/10min，适用于注塑加工，也可激光打标。
根据巴斯夫实验室的热老化比较，Ultradur® B4407G6对标市场上其他产品，在160℃时的热老化表现基本一致。而在温度达到180℃的情况下，B4407G6的抗拉伸强度保持率要高于市场上同类型产品，机械性能和耐老化性能更好。
● 耐水解PBT系列
IGBT实际应用环境有很多高温高湿的环境，对PBT提出了耐水解的要求。而常规 PBT在高温高湿环境下很容易水解开裂。根据PBT的特点，巴斯夫开发出了15% 玻纤增强的耐水解PBT材料，产品牌号带有 “HR”后缀即表示这款材料具有耐水解性。
在USCAR2标准的耐水解测试中（初始温度-40℃，温度85℃/湿度85％，热老化温度175℃），巴斯夫牌号为Ultradur® B4330G3 HR 的15%玻璃纤维增强PBT材料与市场上对标的耐水解材料以及常规不耐水解的PBT材料进行了对比，初始状态，三种材料的强度相差不大，均在100左右，在进行了20个循环之后，Ultradur® B4330G3 HR材料的强度基本没有变化，对标的耐水解材料强度下降至90左右，而常规PBT材料的强度则下降严重，处于失效状态。在进行40个循环之后，Ultradur® B4330G3 HR材料的强度仍然保持初始的状态，对标的耐水解材料强度下降至一半左右，处于失效状态。通过实验测试，B4330G3 HR耐水解性能优于同类产品。
Ultradur® B4450G5(HR)是一款具有USCAR2标准5级的耐水解材料，阻燃等级为V-0@1.6mm，CTI达到最高等级600V（PLC0等级），具有出色的阻燃和电绝缘性。除了耐水解的性能测试外，巴斯夫还对Ultradur® B4450G5(HR)材料做了耐碱盐的性能测试，因为PBT除了不耐水解之外，还不耐碱性溶液，在碱性环境中容易失效。把材料浸泡在氢氧化钠的碱性溶液中，外加应力加速失效，Ultradur® B4450G5(HR)在测试30天后基本完好如初，无断裂，而对标的材料则在测试1天后出现断裂。
● Ultramid®Advanced PA9T
巴斯夫可以提供耐温耐化、低吸水率、尺寸稳定、电气性能好的尼龙产品组合，包括PA66、PA610、高温尼龙PA6T/6、PA6T/66、PA9T等，产品系列非常广。
针对IGBT应用，巴斯夫推出Ultramid® Advanced®N3U41G6 高温尼龙PA9T材料，CTI达到最高等级600V（PLC0等级），阻燃等级为V-0@0.25mm，RTI为150℃，长期使用温度更高。
Ultramid® Advanced®N3U41G6 具有优异的尺寸稳定性。N3U41G6线性热膨胀系数低，在相同的测试条件下，与其他材料相比，N3U41G6的线性热膨胀系数随着温度变化较小。适用于对尺寸稳定性要求较高的产品。
尼龙材料的吸水率影响尺寸稳定性，长碳链高温尼龙吸水率较低，在芯片封装，进行SMT时，对于表面气泡和良率有很大帮助。在吸水率测试中，PA66吸水率为5.5wt%左右，N3U41G6的吸水率在2.3wt%左右，下降了约57%。
N3U41G6具有卓越的长期耐高温特性。根据测试结果，在160℃温度下，热老化后拉伸强度下降50%所需的时间超过7000h，在170℃温度下，需要4000h，甚至在190℃温度下，也需要2000h左右。说明N3U41G6长期使用温度可达150℃，在180~190℃也可以短期使用。
在电绝缘性的表现上，与其他材料相比，N3U41G6这款材料在100℃左右才会开始出现表面电阻率下降的情况，说明100℃长期使用环境下，这款材料电绝缘性基本无变化。
N3U41G6在150°C热老化实验中，3000h后，介电强度基本无变化，冷热冲击实验前后（-40-125℃环境下，500个循环），介电强度基本无变化，可以保持良好的电性能。
此外，在150°C热老化实验，3000h后，N3U41G6CTI保持在600V，而对标产品则出现下降情况；在冷热冲击测试中（-40-125℃，500个循环），CTI基本无变化，仍保持在600V的范围。此外，在高温高湿的环境下（85℃温度，85%相对湿度），5000V直流电压测试，PA66 30GF FR在7天后发生短路，而 B4450G5(HR)和N3U41G6在28天后没有变化，说明这两款材料都具有出色的电绝缘性能。
本文来源：巴斯夫应用开发经理赵宏斌先生《BASF特性材料在IGBT上的解决方案》的主题演讲资料整理，关注公众号，回复关键词“20230629”，即可免费观看演讲视频。
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原文始发于微信公众号（艾邦半导体网）：巴斯夫特性材料在IGBT上的应用
