導熱絕緣材料指的是一種具備絕緣和導熱性能的材料，電阻率大于１０１０Ω·ｍ。但是為高導熱絕緣材料進行定義，并沒有明確的界限，在不同應用場合對于導熱性能好壞定義具有一定的差別。比如，導熱絕緣材料在電力電子器件中使用的時候，對于聚合物、陶瓷等不同類型基板，導熱性能的優良性定義各有不同。總體來說，陶瓷基板導熱性能比聚合物基板要好。

１ 導熱絕緣材料的物理基礎特性

功率半導體模塊能夠實現電能控制與轉換，為節能減排核心技術和基礎器件，在新能源、輸配電、軌道交通和電動汽車等領域使用。功率模塊封裝技術為集材料性能研究與應用為一體的綜合性學科，封裝材料因為功率模塊封裝方式多樣化而不同。通過材料種類劃分為無機材料和有機材料，無機封裝材料包括水凝膠陶瓷、玻璃等因為燒結溫度過高導致應用比較少；有機封裝材料包括環氧樹脂、有機硅等高分子材料，在功率模塊中使用范圍比較廣。絕緣柵雙極晶體管（ＩＧＢＴ）的主要特點為尺寸小、通態電流大、導通電壓低等，ＩＧＢＴ模塊根據封裝形式的不同分為焊接式和壓接式。

根據熱動力學說，熱指的是通過電子、原子和分子等構成的轉動、移動和振動的熱量。所以，物質導熱機理和構成物質的微觀粒子運動具有密切關系。固體內部導熱載體包括聲子、光子和電子，因為電子自身具備的電荷，電子遷移中具有大量能量，導熱率比較高。但是導電體沒有絕緣性能，不能夠在絕緣材料制備中應用。因為光子熱傳導作用材料要具備投射性，只能夠應用特殊玻璃或者單晶體，沒有普遍意義。普通固體材料通過聲子出現導熱作用，比如金屬氧化物和無機非金屬材料，此物質晶體結構有序性會使聲子平均自由程要大。

導熱絕緣高分子材料包括非晶體和晶體２種，通過導熱機理分析，晶體導熱機理為晶粒熱振動，利用聲子概念描述；非晶體導熱機理是根據無規律排列分子或者原子根據固定位置做熱振動使能量對原子和分子傳遞。因為非晶體能夠作為細晶粒的晶體，還能夠作為聲子對導熱進行分析。高分子材料自身的結晶度并不高，并且結晶不完整，晶格和分子的樹脂界面、非諧性振動和缺陷等情況導致聲子散射，從而降低了聚合物導熱系數。
要想制備高導熱聚合物分子，通過結構方面分析，高聚物分子具備完善結晶取向結構和共軛結構。但是，導熱高分子加工工藝比較復雜，無法實現規模化生產。所以，根據近代固體物理熱傳導理論，將具有較高導熱率的填料摻雜在聚合物基體材料中，從而制得導熱聚合物基復合材料。

針對填充型導熱聚合物基材料，導熱系數和聚合物數值基體相關。在樹脂中分散的導熱填料包括纖維狀、粒狀和片狀等形狀，在填料添加量比較低的時候，通過孤立方式存在于聚合物基體中。此時，連續性為聚合物基體，填料被聚合物集體包覆，和聚合物共混體系的海島兩相體系結構類似。但是，在填料添加量超過閾值的時候，填料或者聚集體會接觸局部導熱鏈通過復合材料構成。如果增加填料量，局部導熱網和導熱鏈相互貫穿，構成導熱網絡，提高填充復合材料導熱性能。在導熱填料添加量得到特定值的時候，顆粒能夠相互的接觸，構成通路，為高聚合物從熱不良導體轉變為良導體。此轉變指的是逾滲，和其相關的理論能夠應用在填充型導熱負荷材料中；表１為導熱聚合物材料的關鍵性能指標。

２ 有機硅材料特性分析

有機硅材料屬于可靠、穩定的高分子材料，主要作用為灌封與導熱。有機硅凝膠為固體和液體２種相態的固液共存的特殊硅橡膠，質地柔軟，并不會對電子芯片造成機械應力。即便是在－５０～２００℃的條件下，柔軟性能不會發生改變，能夠對ＩＧＢＴ芯片避免濕氣侵蝕，實現減震、防塵、防潮、絕緣等效果。有機硅凝膠種類比較多，反應類型包括縮合型和加成型。縮合型有機硅膠的自修復性和粘接性，在反應過程中存在小分子物質，收縮率比較大，無法實現功率半導體封裝。加成型有機硅凝膠通過貴金屬催化劑、含氫硅油和乙烯基硅油等構成，反應過程就是活性氫和乙烯基的加成反應，沒有副作用和收縮。所以，在ＩＧＢＴ模塊封裝過程中使用加成型有機硅凝膠。

普通線性聚二甲基硅氧烷凝膠存儲在１７５℃以上的環境中超過１０００ｈ比較脆，降低介電性能和力學性能。普通有機硅凝膠存儲在２００℃環境中會開裂和黃變，降低了材料性能，這是因為有機硅凝膠純度不足導致，出現此種情況是受制備工藝和原材料純度等影響所致。過高的離子含量有機硅凝膠在長時間的高電場和高溫環境下會出現硬化、黃變和金屬離子遷移等情況，對ＩＧＢＴ模塊可靠性造成影響。所以，要重視有機硅凝膠。瓦克所開發的超純度有機硅凝膠總殘余離子含量不超過２×１０－６，在ＩＧＢＴ模塊封裝方式不斷發展的過程中，對有機硅凝膠在封裝中的使用提出了一定的要求，有機硅凝膠的耐高溫性、高純度與高階電性為發展主要方向。

３ 環氧塑封材料特性分析

環氧塑封材料能夠對電路內部芯片進行保護，避免外界環境影響到芯片，所以使用熱導率和機械強度比較高。通過構成方面分析，封裝材料包括塑料、陶瓷和金屬等，塑料封裝材料占據９５％左右。塑封材料重點為環氧樹脂，在汽車行業、航空航天和電力電子方面廣泛使用。

環氧塑封材料指的是高分子復合材料，將環氧樹脂作為機體，使固化促進劑、固化劑、填充劑等根據一定比例利用適當工藝混合成為環氧模塑料。環氧樹脂的主要性能為具備良好粘接性，和大部分物質都具備良好粘附性；具有良好收縮性，通過交聯固化并不會產生小分子副產物；交聯后構成三維立體結構，力學性能良好。國外環氧樹脂塑料產業發展比較早，并且產品大部分都處于高端的位置。我國環氧樹脂產業的起步比較晚，目前出現了大批全新的環氧樹脂產業。環氧塑封材料具備剛性特性和熱膨脹系數的特點，并且耐溫性能有限，所以中低壓ＭＯＳＦＥＴ電力電子模塊被廣泛使用。

４ 環氧灌封膠特性分析

在ＩＧＢＴ模塊運行的過程中會受到高潮濕、沖擊、機械振動等不利因素的影響，所以要求環氧灌封膠的抗沖擊性、硬度和吸水率可靠性良好。熱失效會導致ＩＧＢＴ失效，所以要對ＩＧＢＴ封裝材料熱性能進行重視。環氧樹脂和固化物交聯密度、分子量等都會對分子鏈段運動造成阻礙，影響到灌封膠的熱穩定性。圖１為不同環氧灌封膠熱失重分析曲線，通過ＴＧＡ曲線對比起始分解溫度和不同溫度殘留率。通過對比分析，２號環氧灌封膠的耐熱性良好。

此環氧灌封膠樹脂類型指的是低粘度脂環族環氧樹脂，固化劑為甲基六氫苯酐的促進劑。通過ＴＭＡ測試結果表示，此環氧灌封膠使用大分子鏈的酚醛樹脂，分子柔性比較大。

溫度變化會使環氧灌封膠體開裂，從而影響到封裝結果。所以，環氧灌封膠溫度性能對于ＩＧＢＴ模塊的影響是最大的。使用的環氧灌封膠能夠通過高溫存儲測試，具有較大的ＣＴＥ值，通過溫度循環和低溫存儲后脫離外殼和膠體，封裝失效，說明耐高溫下的環氧灌封膠出現問題，所以要對其應用、種類和氧含量進行調整和優化。

５ 結語

電力電子器件朝著高電壓、高溫度的方向發展， 促進封裝結構朝著微型化、高功率密度化的方向發展，對于封裝材料的要求比較高。為了使電力電子封裝材料應用效果得到提高，在此方面要加大投入，針對材料性能和自身分子結構的關系實現關聯機制 的創建，從而開發耐高溫、導熱性的材料，促進電力電子器件朝著高溫工作方向發展。

來源：粘接２０２３年 １１ 月第 ５０ 卷第 １１ 期

作者：戴曉非 國網新疆電力有限公司 阿克蘇供電公司

審核編輯：劉清