CN103525089B - 一种igbt专用封装材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种IGBT专用封装材料及其制备方法，属于复合材料领域。所述材料包括聚苯硫醚、超高分子量聚乙烯、无机氧化物、玻璃纤维、相容剂和加工助剂，通过共挤出工艺制备得到。本发明通过将聚苯硫醚与超高分子量聚乙烯复合，改善了聚苯硫醚的耐冲击性和电气绝缘性能，同时添加二氧化钛等无机纳米氧化物，并用玻璃纤维增强，得到具备优异力学性能、阻燃性能、耐侯性能、电气绝缘性能、热性能的复合材料，拓展了聚苯硫醚材料的使用范围，特别拓展了其在大功率IGBT封装材料中的应用。

Description

一种IGBT专用封装材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种IGBT专用封装材料及其制备方法，属于复合材料领域。

背景技术

绝缘栅双极晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）是兼有高输入阻抗和低导通压降的复合全控型电压驱动式功率半导体，非常适合于高电压的变流系统，如交流电机、变频器、牵引传动等领域。IGBT封装材料要求具备优异的力学性能、电气绝缘特性、阻燃特性、耐老化特性及耐热特性；此外，由于IGBT壳体通常型腔结构复杂，注塑成型难度大，壳体与其它部件在IGBT模块需要在高于200℃下进行焊接封装，所制备的IGBT模块同时要求具备良好的导热性和密封性，使得开发IGBT封装材料的技术难度大大增加。

为了寻得具备良好的导热性和密封性的IGBT封装材料，行业内对于静态载荷、成型结构简单的应用环境，如申请号为201210263537.8的专利申请采用陶瓷材料进行IGBT封装。然而，与高分子材料相比，陶瓷材料在力学性能和加工成型性能方面，具有力学强度不足，加工成型困难，不能用于动态载荷、复杂型腔结构的IGBT封装材料的制备。

通过对国外大功率IGBT产品封装技术的跟踪，其封装材料主要使用玻璃纤维增强的耐高温尼龙。高温尼龙具有优异的力学性能、良好的耐热性和电气绝缘性能等，但是，尼龙材料本身不能阻燃，为了实现无卤V0等级的阻燃性能，需要添加大量、昂贵的阻燃剂，并且在加工成型特性和外观特性方面存在不足。

聚苯硫醚（PPS）是一种性能优异的热塑性高性能特种工程塑料，具有机械强度高、阻燃性能好、耐化学品腐蚀性好、热稳定性好等优点。但聚苯硫醚韧性较差，易发生脆裂，在对冲击性能要求较高的领域应用受到限制；而且聚苯硫醚电气绝缘性能适中，相对漏电起痕指数（CTI）通常小于150，在对电气绝缘性能要求苛刻领域的应用受到限制。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）具有优异的耐冲击性和电气绝缘性能，因此可将聚苯硫醚与超高分子量聚乙烯进行复合，制备IGBT封装材料。

发明内容

本发明的目的是提供了一种IGBT专用封装材料，所述材料通过玻璃纤维增强的聚苯硫醚与超高分子量聚乙烯复合得到，易于加工成型，并且同时具备优异的力学性能、电气绝缘特性、阻燃特性、耐老化特性及耐热特性。

本发明的又一目的是提供所述IGBT专用封装材料的制备方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

本发明提供了一种IGBT专用封装材料，所述材料包括以下按重量份计的原料：

优选地，所述材料包括以下按重量份计的原料：

在本发明的一个具体实施例中，所述的聚苯硫醚为注塑级PPS树脂，重均分子量大于4.5万。

在本发明的一个具体实施例中，所述的超高分子量聚乙烯为注塑级UHMWPE树脂，分子量为100～300万。加入超高分子量聚乙烯是因为其与聚苯硫醚的相容性更好，复合材料的成型加工性能也更优，另外可以大幅度改善聚苯硫醚复合材料的抗冲击性和电气绝缘性。

在本发明的一个具体实施例中，所述的无机氧化物为二氧化钛、二氧化硅、氧化钙或三氧化二铝中的一种或几种的混合物。加入所述无机氧化物是为了增强复合材料的耐老化性能和耐候性，减缓材料的性能衰减周期，延长材料的使用寿命。优选所述无机氧化物为纳米级，以使无机氧化物在复合材料中的分散会更均匀，材料性能更加稳定和均一。

在本发明的一个具体实施例中，所述的玻璃纤维为无碱、无捻长纤，经过硅烷偶联剂KH550处理后使用。加入玻璃纤维对是对所述材料进行增强改性，全面提升其力学性能和耐热性能等。

在本发明的一个具体实施例中，所述的相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝乙烯－丙烯共聚物、马来酸酐接枝乙烯－辛烯共聚物的一种或几种的混合物。

在本发明的一个具体实施例中，所述的加工助剂为硅烷稳定剂与有机硅润滑剂的重量比为1:1的混合物，优选所述硅烷稳定剂为二甲基双(4-苯基氨基苯氧基)硅烷、二甲基双{4-[(萘基-2)氨基]苯氧基}硅烷中的一种或两种的混合物，所述有机硅润滑剂为含有超高摩尔质量有机硅聚合物的第三代有机硅塑料润滑剂。加入加工助剂是为了将所述材料用于型腔结构复杂壳体时，保证对外观和加工成型特性的需求。

本发明还提供了所述IGBT专用封装材料的制备方法，包括：将如前所述的聚苯硫醚、超高分子量聚乙烯、无机氧化物、相容剂和加工助剂混合均匀，然后与玻璃纤维一起熔融共混挤出造粒，得到本发明所述的IGBT专用封装材料。

在本发明的一个具体实施例中，所述方法具体步骤如下：

第一步：原料干燥：将聚苯硫醚、超高分子量聚乙烯90℃干燥4－6小时；

第二步：按重量份称取干燥好的聚苯硫醚、超高分子量聚乙烯，以及无机氧化物、相容剂和加工助剂；

第三步：将称量好的聚苯硫醚、超高分子量聚乙烯、无机氧化物、相容剂、加工助剂通过高速混合机搅拌均匀，搅拌转速500～600r/min，混合时间120～240秒；

第四步：将混合好的原料加入到专用的双螺杆挤出机中，在270～320℃下与玻璃纤维一起熔融共混挤出造粒，玻璃纤维在双螺杆四、五节筒体开口处加入。得到本发明所述的IGBT专用封装材料。

有益效果：本发明通过将聚苯硫醚与超高分子量聚乙烯复合，改善了聚苯硫醚的耐冲击性和电气绝缘性能，同时添加二氧化钛等无机纳米氧化物，并用玻璃纤维增强，得到具备优异力学性能、阻燃性能、耐侯性能、电气绝缘性能、热性能的复合材料，拓展了聚苯硫醚材料的使用范围，特别拓展了其在大功率IGBT封装材料中的应用。

所述材料可以采用双螺杆挤出的制备方法，工艺简单、易于操作，连续生产效率高，产品质量稳定，具有良好的产业化优势。

具体实施方式

本发明的具体实施方案，结合以下实例做进一步说明：

生产该新型IGBT专用封装材料的主要设备有：

高速混合机，转速450～1350转/分；

双螺杆挤出机，螺杆转速：230～400rpm，温度：270～320℃；

水槽：冷却水温20～40℃，切粒机转速：400～800rpm；

实施例1～实施例6：

聚苯硫醚选用四川得阳化学有限公司PPS-hb，分子量4.8万。

超高分子量聚乙烯选用日本三井化学的耐冲击性UHMWPE树脂。

相容剂选用：实例1～2选用单一的马来酸酐接枝聚乙烯，实例3～4选用马来酸酐接枝聚乙烯与马来酸酐接枝乙烯－丙烯共聚物的混合物，实例5～6选用马来酸酐接枝聚乙烯与马来酸酐接枝乙烯－辛烯共聚物的混合物。

加工助剂为硅烷稳定剂与有机硅润滑剂的等比例混合物，其中实例1～2选用的硅烷稳定剂为二甲基双(4-苯基氨基苯氧基)硅烷，实例3～6选用的硅烷稳定剂为二甲基双(4-苯基氨基苯氧基)硅烷与二甲基双{4-[(萘基-2)氨基]苯氧基}硅烷的混合物；实例1～6选用的有机硅润滑剂为德国瓦克公司的GenioplastPelletS型塑料改性剂。

实施例1～3的无机氧化物为金红石型纳米二氧化钛粉末，实施例4～6的无机氧化物为纳米氧化钙。

玻璃纤维采用的是巨石集团的988A型无碱纤维，通过调整主机转速控制加入玻璃纤维份数。

将聚苯硫醚、超高分子量聚乙烯放入干燥箱内，90℃热风干燥4－6小时，以重量份计按表1配比称量各组分。

表1

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	实施例6
							聚苯硫醚	20	25	30	35	40	50
超高分子量聚乙烯	35	30	30	25	20	10
							无机氧化物	10	8	5	10	8	5
玻璃纤维	33.5	33	30.2	27.7	28	29.5
							相容剂	1	1.5	1	1.5	1	1.5
加工助剂	0.5	0.5	0.8	0.8	1.0	1.0

将称量好的物料放入高速混合机在600r/min转速条件下混合120～180秒后，加入到双螺杆挤出机中混炼，在四、五节筒体开口处加入玻璃纤维。玻璃纤维进入到充满塑化熔体的挤出机中，被剪断后与熔体充分混合、浸润、分散，然后经口模挤出，拉条冷却后切粒，即获得本发明的新型IGBT专用封装材料。

各段挤出温度：275±10℃，275±10℃，280±10℃，285±10℃，295±10℃，295±10℃，295±10℃，290±10℃，285±10℃，285±10℃。

对各实施例产品采用ISO标准进行检测，在270～320℃下注塑制得检测试样。测试结果如表2所示。

表2

从以上实施例和对应的检测数据可以看出，随着该IGBT专用封装材料中聚苯硫醚含量的增加，材料的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量均逐渐增大；冲击强度有所降低；热变形温度基本保持稳定，在260℃之上；吸水率和成型收缩率基本保持稳定；阻燃等级均为V-0。另外，材料的相对漏电起痕指数（CTI）则与超高分子量聚乙烯的含量明显相关，当体系中超高分子量聚乙烯从35%下降到10%的过程中，材料的CTI从450下降到200。综合数据说明本技术方案取得了预期的效果：制备得到了冲击强度和电气绝缘性能优异的新型IGBT专用封装材料，材料的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量优异，热变形温度保持在260℃以上，阻燃等级为V-0，适合注塑加工。

应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (8)

1.一种IGBT专用封装材料，所述材料包括以下按重量份计的原料：

所述的玻璃纤维为无碱、无捻长纤，经过硅烷偶联剂KH550处理后使用；

所述的相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝乙烯－丙烯共聚物、马来酸酐接枝乙烯－辛烯共聚物的一种或几种的混合物；

所述的加工助剂为硅烷稳定剂与有机硅润滑剂的重量比为1:1的混合物；

所述的聚苯硫醚为注塑级PPS树脂，重均分子量大于4.5万。

2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料包括以下按重量份计的原料：

3.根据权利要求1或2所述的材料，其特征在于，所述的超高分子量聚乙烯为注塑级UHMWPE树脂，分子量为100～300万。

4.根据权利要求1或2所述的材料，其特征在于，所述的无机氧化物为二氧化钛、二氧化硅、氧化钙或三氧化二铝中的一种或几种的混合物。

5.根据权利要求4所述的材料，其特征在于，所述无机氧化物为纳米级。

6.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述硅烷稳定剂为二甲基双(4-苯基氨基苯氧基)硅烷、二甲基双{4-[(萘基-2)氨基]苯氧基}硅烷中的一种或两种的混合物，所述有机硅润滑剂为含有超高摩尔质量有机硅聚合物的第三代有机硅塑料润滑剂。

7.一种如权利要求1～6任一项所述材料的制备方法，包括：将所述的聚苯硫醚、超高分子量聚乙烯、无机氧化物、相容剂和加工助剂混合均匀，然后与玻璃纤维一起熔融共混挤出造粒。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下：

第一步：原料干燥：将聚苯硫醚、超高分子量聚乙烯90℃干燥4－6小时；

第二步：按重量份称取干燥好的聚苯硫醚、超高分子量聚乙烯，以及无机氧化物、相容剂和加工助剂；

第三步：将称量好的聚苯硫醚、超高分子量聚乙烯、无机氧化物、相容剂、加工助剂通过高速混合机搅拌均匀，搅拌转速500～600r/min，混合时间120～240秒；

第四步：将混合好的原料加入到专用的双螺杆挤出机中，在270～320℃下与玻璃纤维一起熔融共混挤出造粒，玻璃纤维在双螺杆四、五节筒体开口处加入，得到所述的IGBT专用封装材料。