有機(jī)硅作為一種穩(wěn)定可靠的高分子材料在IGBT上的主要應(yīng)用是灌封（即硅凝膠，Silicone gel）和導(dǎo)熱（即涂覆模塊與散熱板之間的高導(dǎo)熱硅脂）。有機(jī)硅凝膠是一種存在液體和固體兩種相態(tài)的“固液共存”的特殊硅橡膠，其質(zhì)地很柔軟，不會對IGBT芯片產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，即使所處溫度介于-50℃~200℃，其柔軟性能也基本不變，能很好地保護(hù)IGBT芯片免受濕氣侵蝕，達(dá)到絕緣、防潮、防塵、減震和防腐蝕的作用。
有機(jī)硅凝膠種類繁多，就反應(yīng)類型來看可以分為加成型和縮合型。縮合型有機(jī)硅凝膠具有較好的粘接性和自修復(fù)性，但反應(yīng)過程中會有小分子物質(zhì)產(chǎn)生，收縮率較大且容易形成氣泡，因此并不適合灌封要求較高的功率半導(dǎo)體封裝。加成型有機(jī)硅凝膠主要是由乙烯基硅油（或丙烯基）、含氫硅油以及貴金屬催化劑等組成，反應(yīng)過程為乙烯基與活性氫的加成反應(yīng)，無副產(chǎn)物產(chǎn)生，硫化物純度高且無收縮，因此在IGBT封裝中主要采用的是加成型有機(jī)硅凝膠。
圖1 有機(jī)硅凝膠及其在功率模塊灌封中的應(yīng)用
Fig.1 Silicone gel and its application in powermodule package
普通線性聚二甲基硅氧烷（PDMS）凝膠在超過175℃的高溫下存放時間超過1000h后會變脆，機(jī)械性能和介電性能下降很嚴(yán)重，甚至?xí)_裂。而隨著IGBT模塊封裝形式的不斷發(fā)展，對于封裝所采用的有機(jī)硅凝膠也提出更高的需求。IGBT模塊封裝用有機(jī)硅凝膠的高純度、耐高溫性和高介電性是需要重點(diǎn)關(guān)注的發(fā)展方向。有機(jī)硅凝膠純度不足的原因是由于原材料純度和制備工藝所導(dǎo)致。離子含量過高的有機(jī)硅凝膠在長期的高溫和高電場強(qiáng)度環(huán)境中會發(fā)生黃變、硬化、金屬離子遷移等問題，直接影響IGBT的可靠性，因此對于有機(jī)硅凝膠純度的問題需要重點(diǎn)關(guān)注。瓦克開發(fā)出的超純度有機(jī)硅凝膠其總殘余離子含量<2ppm，特別是SEMICOSIL 915HT和SEMICOSIL 920LT兩款有機(jī)硅凝膠具有純度高，耐黃變性好的優(yōu)點(diǎn)。
圖2 硅凝膠熱老化前（上圖）；200℃下老化1000h后（下圖）
Fig.2. Above: Initial state; Below: after 1000hours of storage at 200℃
新一代IGBT模塊，如碳化硅、氮化鎵等功率模塊的發(fā)展也對有機(jī)硅凝膠的耐高溫性和介電性是新的考驗(yàn)。信越關(guān)注了有機(jī)硅凝膠在高溫下的“凝膠裂縫”現(xiàn)象和長期在200℃下使用的有機(jī)硅凝膠的開發(fā)和應(yīng)用，并對有機(jī)硅凝膠在高溫儲存下的失效模式以及如何克服這些失效模式進(jìn)行探討。瓦克推出的SEMICOSIL 915HT有機(jī)硅凝膠可以使用紫外線活化的催化劑進(jìn)行固化，即使在室溫下也能縮短處理時間，其混合比例10:1，硫化后介電常數(shù)2.8，介電強(qiáng)度達(dá)到30.0kV/mm，在210℃的高溫下測試2000h后外觀和機(jī)械性能基本不變，具有很好的介電性能和耐高溫性能。道康寧也為新一代功率模塊在200℃連續(xù)工作而開發(fā)出耐高溫有機(jī)硅凝膠，該硅凝膠在215℃的高溫下耐受時間達(dá)2000h。趙慧宇等以自制乙烯基硅油和含氫硅油為原材料，開發(fā)出用于IGBT模塊灌封的雙組分加成型硅凝膠，其介電強(qiáng)度達(dá)到22.6kV/mm，相對介電常數(shù)為2.65，具有較高的電絕緣性。丁聘等以聚甲基乙烯基硅氧烷為基礎(chǔ)硅油、端含氫硅油為擴(kuò)鏈劑、側(cè)鏈含氫硅油為交聯(lián)劑，輔以鉑催化劑和炔醇類抑制劑，制備出的雙組分有機(jī)硅凝膠經(jīng)過對6500V的IGBT模塊進(jìn)行灌封評估后發(fā)現(xiàn)模塊局部放電量小于10pC，順利通過模塊振動、高溫存儲、低溫存儲等多項(xiàng)應(yīng)用性試驗(yàn)。筆者之前設(shè)計了一種MDT樹脂應(yīng)用于耐高溫的有機(jī)硅凝膠，使其在220℃下熱老化1000h不發(fā)生黃變，具有很好的耐高溫性能。
表1 幾種功率模塊封裝用有機(jī)硅凝膠性能
Tab.1 the performances of Silicone gelfor power module package
種類 | 膠1 | 膠2 | 膠3 | |||
組分 | A | B | A | B | A | B |
外觀 | 透明 | 透明 | 透明 | 透明 | 透明 | 透明 |
比重(23℃) | 0.97 | 0.97 | 0.97 | 0.97 | 0.97 | 0.97 |
黏度(mPa.s, 23℃) | 1000 | 1000 | 450 | 450 | 1000 | 1000 |
混合比(質(zhì)量/體積) | 0.042361111 | 0.042361111 | 0.042361111 | |||
混合黏度(mPa.s, 23℃) | 1000 | 450 | 1000 | |||
適用期(h) | 2.5(25℃) | 1.7(23℃) | 0.75(25℃) | |||
凝膠時間(min) | 30.0(150℃) | 7.0(135℃) | 30.0(150℃) | |||
錐入度(0.1mm, 23℃) | 85 | 85 | 85 | |||
介電常數(shù)(50Hz) | 2.7 | 2.7 | 2.7 | |||
介電強(qiáng)度(kV/mm) | 17 | 15 | 19.2 | |||
體積電阻率(Ω.cm) | 1.0×1015 | 3.0×1015 | 6.0×1015 | |||
通過混合高介電強(qiáng)度的填料也可以改善有機(jī)硅凝膠的介電性能。Wang等采用在有機(jī)硅凝膠中添加BaTiO3粉體的方式以提高硅凝膠的相對介電常數(shù)，通過檢測發(fā)現(xiàn)硅凝膠介電常數(shù)達(dá)到6.4，且會隨著電場改變而改變，實(shí)現(xiàn)了硅凝膠的介電常數(shù)可調(diào)性，并利用復(fù)合硅凝膠在3300V的商業(yè)化IGBT模塊進(jìn)行測試。王昭等進(jìn)一步利用有限元分析方法分析了BaTiO3復(fù)合硅凝膠對IGBT模塊內(nèi)部電場分布的影響，驗(yàn)證了提高硅凝膠介電常數(shù)對IGBT模塊內(nèi)電場強(qiáng)度的抑制作用。
筆者介紹：
曾亮（1984.09-），男，湖南株洲人，漢族，高級工程師。長期從事功率半導(dǎo)體封裝用高分子材料研究與開發(fā)。
曾就職于中國中車、中國化工等公司，目前就職于湖南國芯半導(dǎo)體科技有限公司。
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)）：有機(jī)硅凝膠在功率模塊封裝中的研究與應(yīng)用