随着半导体功率器件技术迭代升级,IGBT绝缘栅双极型晶体管逐步向高电压、高开关频率方向发展。器件高频高压工作时会产生大量热能,易影响封装材料的绝缘性能,因此灌封胶成为IGBT模块封装不可或缺的核心材料。目前IGBT模块灌封主流材料为有机硅凝胶与环氧灌封胶,大功率模块普遍采用二者搭配使用的方案,依托有机硅凝胶实现电气绝缘防护,借助环氧灌封胶提供机械强度支撑,双重保障模块稳定运行。
灌封胶是一类功能性有机高分子复合材料,市面主流品类包含环氧灌封胶、有机硅灌封胶、聚氨酯灌封胶等。其中环氧灌封胶由环氧树脂、固化剂、无机填料及各类助剂调配而成,综合性能优异,适配电子元器件精密封装需求。固化后的环氧灌封胶质地坚硬,具备高强度、高耐热、高绝缘等核心优势,不仅能抵御物理冲击、振动、压力带来的损伤,还可抵抗化学腐蚀、湿气、粉尘等外界环境侵蚀。同时,其较佳的粘接性能可牢固贴合金属、塑料、陶瓷等多种基材,且配方可灵活定制,能适配不同工况的硬度、固化速度等需求,有效隔绝氧气,防止元器件氧化腐蚀,大幅提升IGBT模块的运行稳定性与使用寿命。

随着高压大功率IGBT模块应用场景拓展,器件工作温度大幅提升,内部温度高可达180℃-200℃。传统有机硅凝胶在125℃高温环境下易产生气泡,且温度升高会导致气泡数量增多、体积变大,严重破坏绝缘性能。基于此,新一代大功率IGBT模块对灌封胶提出了更高标准,要求材料具备高绝缘强度、固化无副产物,同时兼顾优异的耐高温、防水、抗机械冲击性能。目前升级后的专用IGBT硅凝胶具备低应力、高柔软性的特点,减震抗冲击、防水防潮效果突出,搭配高介电强度的绝缘特性,可适配高压模块的基础防护需求。
环氧灌封胶主要应用于焊接式IGBT模块封装,通常在硅凝胶灌封固化后二次灌封使用,会在硅凝胶表层形成致密坚硬的防护层,强化模块整体结构,显著提升抗机械冲击能力,是轨道交通等高端场景IGBT模块的主流封装工艺。适配IGBT封装的双组分环氧灌封胶,具备高阻燃性、低热膨胀系数(CTE),可长期耐受200℃高温,短期可承受250℃较高高温,隔热散热与环境适配性较强,能将电子芯片使用寿命延长2-3倍。
但环氧灌封胶仍存在技术短板,其固化收缩率较高,且固化后热膨胀系数与芯片、衬板、绑定线等器件基材差异较大,易在温度冲击工况下出现胶体开裂、脱壳、形变等问题,造成封装失效。相关对比实验印证了这一特性,两款环氧灌封胶应用于Econo PACK封装模块后,1#环氧灌封胶可顺利通过高低温存储、温度循环测试,无开裂、脱缝现象,满足量产灌封要求;而CTE值偏大的2#胶料,虽可通过高温测试,但在低温存储和温度循环测试中出现胶体与外壳脱离问题,导致封装失效,后续需优化树脂体系、填料配比来改善耐温适配性。综上,优化环氧灌封胶的热稳定性与结构适配性,是未来IGBT模块封装材料的核心研究方向。
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