在功率模块的封装过程中完成芯片贴装、焊接、键合等工序后,需要进行外壳密封再进行硅凝胶密封,用以保护模块内部的电路及器件。
灌胶密封
以硅凝胶为例,介绍灌胶保护的工艺过程。
功率模块封装采用双组分(A、B)高温固化方式的硅凝胶,两种组分按1:1配比,经充分搅拌后,才可以作为模块的灌封材料,此时这种材料还是液态,具有一定的流动性和粘性,硅凝胶灌注到模块外壳后,需要将模块放置于真空环境中一定的时间,以充分去除硅凝胶混合时产生的气泡。这个非常关键,否则在硅凝胶固化后,功率模块部分电路器件或Al线裸露在气泡中,得不到必要的保护或者导致被保护的器件性能恶化而经过长期环境变化造成失效。
所以,现在大部分都是在真空环境下的灌胶设备关注硅凝胶,然后模块可以直接进行高温固化。
等到去除硅凝胶气泡后,需要将功率模块放入烘箱进行高温固化,在一定的温度下放置一定的时间后,硅凝胶会由于化学变化产生固化,粘性增加,变成透明而柔软的固体。它覆盖于模块电路的各个部位,此时模块已经得到了充分保护,水分和灰尘不能进入到内部器件的表面,Cl、Na或者其它化学离子污染物都不能渗入。

硅凝胶固化的质量要求是:
① 硅凝胶充分固化后,不能由液态状的未固化物质;
② 功率芯片、Al线或其它元件需要被充分覆盖;
③ 凝胶不能有较大气泡或者其它杂质;
④ 固化后的凝胶不能产生缝隙;
为了增加密封性能和机械强度,有时还会在灌注硅凝胶的基础上再灌注一些环氧树脂,进行额外保护。不同的是,环氧树脂是单组分。
环氧树脂
环氧树脂因为具有很好的介电性能,一直以为作为主要绝缘材料广泛应用于功率模块。环氧树脂是一种聚合物,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,原先的液体混合物一般会在几分钟到几个小时的时间内硬化,这取决于液态的组成和温度。
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,冷硬化的玻化温度约是60℃。环氧树脂混合必须遵循树脂/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。因为无法避免使用环氧树脂这个效应,因此环氧树脂在模块封装中并不会单独使用,而是先灌封硅凝胶,再密封一层环氧树脂。

硅凝胶的特点
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。硅凝胶具有良好的电绝缘性,且工作环境温度可在-100℃到超过250℃。在一些极限情况下,如短路,功率芯片可能出现超过200℃的高温,因此硅凝胶受到广泛应用。
而且,因为硅凝胶的凝胶结构,其具有灵活的热和机械特性,这意味着在不同的封装形式中采用不同的封装材料之间没有差别。另一方面,硅凝胶的机械刚度不足,在使用其时,模块的塑料外壳必须具有一定的强度。
硅凝胶的另一个缺点是会释放高挥发性的硅酮,这阻碍了功率模块在无硅环境下的使用。硅凝胶也可以从空气中吸收水分,其中可能含有一些含S物质,如果这种污染物到达DBC的Cu表面,可以形成导电的CuS,并沿电场蔓延。使用镀Ni的DBC可以抑制这种化学过程,从而避免这种情况。

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