1.本发明属于材料领域，涉及一种碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.环氧树具有极好的电气绝缘性被广泛应用于电力电子器件的灌封领域，如在轨道牵引等3300v、6500v的高压大电流igbt模块上封装一般是在完成硅凝胶灌封后再进行环氧胶灌封，经固化后在硅凝胶上层形成一层密度大质地坚硬的保护层，从而提高模块整体性的作用，对提高模块的抗机械冲击性具有很好的实际意义。但是，随着碳化硅功率模块的发展，对传统的有机硅凝胶提出了新的挑战。碳化硅功率模块具有高频、高压和高结温(175℃)的特点，对于其封装材料提出了更高的性能要求，有机硅凝胶在高温下容易发生鼓泡和开裂等，而普通双酚a型环氧树脂制备的环氧灌封胶在-40℃的低温下会发生收缩和开裂，导致封装失效，因此对于运行温度达175℃以上的碳化硅功率模块的封装会存在诸多问题。
3.目前，已经开发出直接应用环氧灌封而放弃硅胶灌封的技术路线，并取得了一定的应用经验。如直接灌封树脂(dp树脂)，其实质上就是高耐热、低热膨胀系数(cte)值的环氧灌封材料(smc)，通过dp树脂灌封模块，能减少芯片下的焊料裂纹，极大提高热循环试验寿命。该封装方式与传统封装模式有很大的区别，为环氧树脂灌封在功率半导体模块上的应用开拓了新的机遇。然而，现有环氧灌封材料仍然存在粘度较大的缺陷，因而树脂和模块都需要预热才能满足灌封工艺要求，操作工艺比较复杂。因此，获得一种粘度低、热稳定性好、热膨胀系数低、操作时间长、工艺性好的环氧灌封料，对于更好的满足碳化硅功率模块的封装工艺要求以及扩大环氧灌封料在碳化硅功率模块封装中的推广和应用具有十分重要的意义。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种粘度低、热稳定性好、膨胀系数低、操作时间长、工艺性好的碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料及其制备方法和应用。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
6.一种碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料，包括a组分和b组分，所述a组分主要由以下质量份数的原料制备而成：
7.低粘度脂环族环氧树脂40份～65份，所述低粘度脂环族环氧树脂的环氧当量为126g/eq～140g/eq，在25℃下其平均粘度小于800mpa
·
s；
8.高纯度双酚a型环氧树脂35份～60份；
9.纳米核壳增韧剂5份～10份，所述纳米核壳增韧剂为核壳结构球形纳米微粒，平均粒径小于200nm；
10.偶联剂1份～5份，所述偶联剂为改性硅烷偶联剂；
11.硅微粉35份～70份；
12.炭黑1份～3份；
13.所述b组分主要由以下质量份数的原料制备而成：
14.固化剂a 40份～60份，所述固化剂a为高纯度、低粘度的改性酸酐，在25℃下其平均粘度小于200mpa
·
s；
15.固化剂b 40份～50份，所述固化剂b为改性聚芳香胺，胺值当量为420mg koh/g～480mg koh/g，在25℃下其平均粘度小于4000mpa
·
s；
16.潜伏性促进剂1份～10份，所述潜伏性促进剂为改性咪唑和三胺类的加成物；
17.硅微粉46份～80份。
18.上述的碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料，进一步改进的，所述低粘度脂环族环氧树脂为3,4-环氧环己基甲基3,4-环氧环己基甲酸酯、双((3,4-环氧环己基)甲基)己二酸酯、双(7-氧杂双环[4.1.0]3-庚甲基)己二酸酯、3,3'-[氧基双亚甲基]双[3-乙基]氧杂环丁烷中的至少一种。
[0019]
上述的碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料，进一步改进的，所述高纯度双酚a型环氧树脂的环氧当量为171g/eq～177g/eq，可水解氯低于300ppm，在25℃下其平均粘度小于3000mpa
·
s。
[0020]
上述的碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料，进一步改进的，所述纳米核壳增韧剂为瓦克genioperl p52纳米核壳增韧剂。
[0021]
上述的碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料，进一步改进的，所述偶联剂为um-636、um-996、um-998、um-hv0571中的至少一种。
[0022]
上述的碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料，进一步改进的，所述固化剂a为甲基四氢苯酐与甲基纳迪克酸酐的混合物；所述甲基四氢苯酐与甲基纳迪克酸酐的质量比为1～3∶1；所述固化剂b为液化二氨基甲烷；所述潜伏性促进剂为ajcure pn-23、ajcure pn-23j、ajcure my-24中的至少一种。
[0023]
上述的碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料，进一步改进的，所述a组分与b组分的质量比为1∶1～5∶1。
[0024]
作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种上述的碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料的制备方法，包括以下步骤：
[0025]
(1)制备a组分：将低粘度脂环族环氧树脂、高纯度双酚a型环氧树脂、纳米核壳增韧剂在40℃～60℃下混合，加入偶联剂、硅微粉和炭黑进行高速剪切分散，冷却，真空脱泡除杂，得到a组分；
[0026]
制备b组分：将固化剂a、固化剂b和潜伏性促进剂混合，加入硅微粉进行高速剪切分散，冷却，真空脱泡除杂，得到b组分；
[0027]
(2)将步骤(1)中得到的a组分和b组分混合，搅拌，得到碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料。
[0028]
上述的碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料的制备方法，进一步改进的，步骤(1)中，所述a组分的制备过程中，所述高速剪切分散在转速为2500rpm～3000rpm下进行，所述高速剪切分散的时间为20min～30min；
[0029]
上述的碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料的制备方法，进一步改进的，所述b组分的制备过程中，所述b组分的制备过程中，所述高速剪切分散在转速为2500rpm～3000rpm下进行，所述高速剪切分散的时间为20min～30min。
[0030]
上述的碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料的制备方法，进一步改进的，步骤(2)中，所述搅拌的时间为25min～35min。
[0031]
作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种上述的碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料或上述的制备方法制备的碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料在碳化硅功率模块封装中的应用。
[0032]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0033]
(1)本发明中提供了一种碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料，包括a组分和b组分，其中a组分和b组分中各个原料之间的相互促进关系如下：
[0034]
(1.1)利用低粘度脂环族环氧树脂和高纯度低粘度双酚a型环氧树脂，以纳米核壳增韧剂，使环氧灌封料具有很低的粘度，而且还有极好的热稳定性，固化收缩率极小，能满足碳化硅功率模块封装的封装工艺要求。
[0035]
(1.2)本发明中，在保证树脂交联密度的前提下，采用低粘度改性酸酐固化剂与改性聚芳胺，不仅能进一步保证树脂的交联密度，还能提高环氧灌封料的热稳定性，调配环氧灌封料热膨胀系数，使其热膨胀系数与碳化硅芯片、铜的差异性较小，提高模块可靠性。
[0036]
(1.3)本发明中，采用改性咪唑和三胺类的加成物为潜伏性促进剂，在60℃～80℃下稳定性好，使得环氧灌封料具有较长的操作时间；在120℃下又能快速固化，降低固化反应热。
[0037]
可见，本发明碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料，具有很低的粘度和cte值，操作时间长，工艺性好，可直接灌封碳化硅功率模块，无需灌封有机硅凝胶，能很好地提高模块的整体性和抗冲击能力，使用价值高，应用前景好，有利于特种环氧灌封料在碳化硅功率模块封装上的推广和应用，为新型的功率模块封装提供了一条行之有效的技术路线。
[0038]
(2)本发明还提供了一种碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料制备方法，具有工艺简单、操作方便等优点，可实现大规模制备，适合于工业化生产。
具体实施方式
[0039]
以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
[0040]
以下实施例中所采用的原料和仪器均为市售；所采用的设备和制备工艺若无特别说明均为常规设备和常规工艺。
[0041]
实施例
[0042]
一种碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料，包括a组分和b组分，且a组分与b组分的质量比为1∶1～5∶1。
[0043]
本发明中，a组分主要由以下质量份数的原料制备而成：低粘度脂环族环氧树脂40份～65份，高纯度双酚a型环氧树脂35份～60份，纳米核壳增韧剂5份～10份，偶联剂1份～5份，硅微粉35份～70份，和炭黑1份～3份。
[0044]
a组分中，低粘度脂环族环氧树脂的环氧当量为126g/eq～140g/eq，在25℃下其平
均粘度小于800mpa
·
s；更加具体的，低粘度脂环族环氧树脂为3,4-环氧环己基甲基3,4-环氧环己基甲酸酯、双((3,4-环氧环己基)甲基)己二酸酯、双(7-氧杂双环[4.1.0]3-庚甲基)己二酸酯、3,3'-[氧基双亚甲基]双[3-乙基]氧杂环丁烷中的至少一种，但不仅限于此。
[0045]
a组分中，高纯度双酚a型环氧树脂的环氧当量为171g/eq～177g/eq，可水解氯低于300ppm，在25℃下其平均粘度小于3000mpa
·
s；更加具体的，高纯度双酚a型环氧树脂为der331、der332中的至少一种，但不仅限于此。
[0046]
a组分中，纳米核壳增韧剂为核壳结构球形纳米微粒，平均粒径小于200nm；更加具体的，纳米核壳增韧剂为瓦克genioperl p52纳米核壳增韧剂，但不仅限于此。
[0047]
a组分中，偶联剂为改性硅烷偶联剂；更加具体的，偶联剂为um-636、um-996、um-998、um-hv0571中的至少一种，来于武汉安瑞科材料有限公司，但不仅限于此。
[0048]
本发明中，b组分主要由以下质量份数的原料制备而成：固化剂a 40份～60份，固化剂b 40份～50份，潜伏性促进剂1份～10份，硅微粉46份～80份。
[0049]
b组分中，固化剂a为高纯度、低粘度的改性酸酐，在25℃下其平均粘度小于200mpa
·
s；更加具体的，固化剂a为甲基四氢苯酐与甲基纳迪克酸酐的混合物，其中甲基四氢苯酐与甲基纳迪克酸酐的质量比为1～3∶1，但不仅限于此；
[0050]
b组分中，固化剂b为改性聚芳香胺，胺值当量为420mg koh/g～480mg koh/g，在25℃下其平均粘度小于4000mpa
·
s；更加具体的，固化剂b为液化二氨基甲烷，但不仅限于此；
[0051]
b组分中，潜伏性促进剂为改性咪唑和三胺类的加成物；更加具体的，潜伏性促进剂为ajcure pn-23、ajcure pn-23j、ajcure my-24中的至少一种，来于日本味之素。
[0052]
本发明中，碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料的制备方法，包括以下步骤：
[0053]
(1)制备a组分：将40份～65份的脂环族环氧树脂、35份～60份的高纯双酚a型环氧树脂、5份～10份纳米增韧剂在40℃～60℃下混合，加入1份～5份偶联剂、35份～70份硅微粉和1份～3份炭黑，在转速为2500rpm～3000rpm下进行高速剪切分散20min～30min，冷却至室温，真空脱泡除杂，得到a组分；
[0054]
制备b组分：将40份～60份的固化剂a、40份～50份固化剂b和1份～10份潜伏性促进剂混合，加入入46份～80份硅微粉，在转速为2500rpm～3000rpm下进行高速剪切分散20min～30min，冷却至室温，真空脱泡除杂，得到b组分；
[0055]
(2)按照a组分与b组分的质量比为1∶1～5∶1，将步骤(1)中得到的a组分和b组分混合，搅拌30min，得到碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料。
[0056]
实施例1
[0057]
一种碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料，包括a组分和b组分，二者的质量比为1:1；a组分按照重量份计包括以下原料组分：
[0058][0059]
b组分主要由以下重量份数的组分混合而成：
[0060][0061][0062]
本实施例中，甲基四氢苯酐与甲基纳迪克酸酐的质量比为1:1。
[0063]
一种上述本实施例中的碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料的制备方法，其包括以下步骤：
[0064]
(1)a组分制备过程为：将40份3,4-环氧环己基甲基3,4-环氧环己基甲酸酯、35份高纯度环氧der331、5份瓦克genioperl p52纳米核壳增韧剂在40℃下混合均匀，加入1份um-636、35份硅微粉和1份炭黑，在转速为2500rpm下进行高速剪切分散，时间为20min，冷却至室温，真空脱泡除杂，得到a组分。
[0065]
(2)b组分制备过程为：将40份的甲基四氢苯酐与甲基纳迪克酸酐的混合物、40份液化ddm和1份ajcure pn-23加入搅拌釜中混合均匀，加入46份硅微粉，在转速为2500rpm下进行高速剪切分散，时间为20min，冷却至室温，真空脱泡除杂，得到b组分。
[0066]
(3)准确称取100g上述制备的a组分和100g b组分，搅拌30min，得到碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料。对该碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料的性能进行测试，结果参见下表1。
[0067]
一种上述本实施例中的碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料在碳化硅功率模块封装中的应用。
[0068]
实施例2
[0069]
一种碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料，包括a组分和b组分，二者的质量比为5:1；a组分按照重量份计包括以下原料组分：
[0070][0071]
b组分主要由以下重量份数的组分混合而成：
[0072][0073]
本实施例中，甲基四氢苯酐与甲基纳迪克酸酐的质量比为3:1。
[0074]
一种上述本实施例中的碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料的制备方法，其包括以下步骤：
[0075]
(1)a组分制备过程为：将65份双((3,4-环氧环己基)甲基)己二酸酯、60份高纯环氧der332、10份瓦克genioperl p52纳米核壳增韧剂在60℃下混合均匀，加入5份um-996、70份硅微粉和3份炭黑，在转速为3000rpm下进行高速剪切分散，时间为30min，冷却至室温，真空脱泡除杂，得到a组分；
[0076]
(2)b组分制备过程为：将60份的甲基四氢苯酐与甲基纳迪克酸酐饿混合物、50份液化ddm和10份ajcure my-24加入搅拌釜中混合均匀，加入80份硅微粉，在转速为3000rpm下进行高速剪切分散，时间为30min，冷却至室温，真空脱泡除杂，得到b组分。
[0077]
(3)准确称取500g上述制备的a组分和100g b组分，搅拌30min，得到碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料。对该碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料的性能进行测试，结果参见下表1。
[0078]
实施例3
[0079]
一种碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料，包括a组分和b组分，二者的质量比为3:1；a组分按照重量份计包括以下原料组分：
[0080][0081]
b组分主要由以下重量份数的组分混合而成：
[0082][0083]
本实施例中，甲基四氢苯酐与甲基纳迪克酸酐的质量比为2:1。
[0084]
一种上述本实施例中的碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料的制备方法，其包括以下步骤：
[0085]
(1)a组分制备过程为：将50份双(7-氧杂双环[4.1.0]3-庚甲基)己二酸酯、55份高纯度环氧der332、8份瓦克genioperl p52纳米核壳增韧剂在50℃下混合均匀，加入1份um-998、60份硅微粉和2份炭黑，在转速为2700rpm下进行高速剪切分散，时间为25min，冷却至室温后真空脱泡除杂后得到a组分；
[0086]
(2)b组分制备过程为：将60份的甲基四氢苯酐与甲基纳迪克酸酐的混合物、45份液化ddm和5份ajcure pn-23加入搅拌釜中混合均匀，加入64份硅微粉，在转速为2700rpm下进行高速剪切分散，时间为25min，冷却至室温后真空脱泡除杂后得到b组分。
[0087]
(3)准确称取300g上述制备的a组分和100g b组分，搅拌30min，得到碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料。对该碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料的性能进行测试，结果参见下表1。
[0088]
对比例1
[0089]
一种环氧灌封料，包括a组分和b组分，二者的质量比为1:1；a组分按照重量份计包括以下原料组分：
[0090][0091]
b组分主要由以下重量份数的组分混合而成：
[0092][0093]
对比例1中，甲基四氢苯酐与甲基纳迪克酸酐的质量比为3:1。
[0094]
对比例1中，环氧灌封料的制备方法与实施例1相同，其中制得的环氧灌封料的性能测试结果参见下表1。
[0095]
对比例2
[0096]
一种环氧灌封料，包括a组分和b组分，二者的质量比为1:1；a组分按照重量份计包括以下原料组分：
[0097][0098][0099]
b组分主要由以下重量份数的组分混合而成：
[0100][0101]
对比例2中，甲基四氢苯酐与甲基纳迪克酸酐的质量比为2:1。
[0102]
对比例2中，环氧灌封料的制备方法与实施例1相同，其中制得的环氧灌封料的性能测试结果参见下表1。
[0103]
表1本实施例1-3中制得的碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料的性能检测结果
[0104]
项目单位实施例1实施例2实施例3对比例1对比例2a组分粘度mpa
·
s/25℃120851211511895987614568b组分粘度mpa
·
s/25℃56765320542658975756混合物粘度mpa
·
s/25℃7885765977846758945660～80℃操作时间min1208710218337凝胶时间@120℃150gmin3543397118硬度，shore d/9292928785玻璃化温度℃178.6184.9187.3179.5155.9热变形温度℃167156163154143.1拉伸强度n/mm24953584337热膨胀系数k-1
17
×
10-6
18
×
10-6
17
×
10-6
11
×
10-59×
10-5
介电击穿强度kv/mm18.519.218.016.716.2体积电阻ohm/cm7.6
×
10
13
8.3
×
10
13
9.2
×
10
13
3.2
×
10
13
4.5
×
10
13
[0105]
由表1可以得知，在各个不同处理条件下，本发明实施例1-3中制得的碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料具有优异的玻璃化温度和热分解温度，室温下粘度很低，热膨胀系数(cte值)低，操作时间长，工艺性好，可直接灌封碳化硅功率模块，无需灌封有机硅凝胶，能很好地提高模块的整体性和抗冲击能力，这说明本发明碳化硅功率模块封装用低粘度环氧灌封料，对于提高碳化硅功率模块的可靠性具有很重要的意义，有着很高的使用价值和很好的应用前景。同时，由表1可知，基于环氧灌封料中各组分类型、用量不同，对比
例1和对比例2中涉及的环氧灌封料仍然存在热膨胀系数较高的缺陷，与碳化硅芯片、铜的差异性较大，不利于提高碳化硅功率模块的可靠性。
[0106]
以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。