CN113372864A - 一种具有温度实时预警功能的智能环氧封装材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种具有温度实时预警功能的智能环氧封装材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有温度实时预警功能的智能环氧封装材料及其制备方法和应用，属于电子电气功能材料领域。该智能环氧封装材料包括以下组分：热致变色微胶囊，环氧树脂，酸酐固化剂和叔胺促进剂。该智能环氧封装材料能够在IGBT模块中进行应用，一旦IGBT模块在高功率损耗下产生的剧烈温升超过智能封装材料预先设计的温度阈值后，智能封装材料将立刻发生颜色变化，实现对IGBT模块发热情况的实时预警，能够便捷、及时地掌握IGBT模块的发热异常情况，对于提高IGBT模块的运行可靠性以及IGBT模块的智能化发展具有重要的意义。

Description

一种具有温度实时预警功能的智能环氧封装材料及其制备方 法和应用
技术领域
本发明属于电子电气功能材料领域，尤其涉及一种具有温度实时预警功能的智能环氧封装材料及其制备方法和在IGBT模块中的应用。
背景技术
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)具有输入阻抗高、热稳定性好、速度快、高电流、大电压等特点，随着技术和工艺的不断突破，功率等级不断提升，IGBT已经在变频调速、逆变器、机车牵引、新能源发电等多个关键领域中得到广泛应用。
随着IGBT模块封装电流密度的不断增大、功率不断提升、体积逐渐减小，IGBT内部的发热量成倍增加。温升会给器件带来一些列的影响，引起热、力载荷不断增加，若器件在此条件下长期运行，会导致器件的可靠性大幅度降低，甚至运行中断等。因此，IGBT模块发热情况的实时监测对于提高IGBT模块的可靠性具有重要的意义。
当前技术显示IGBT模块的发热情况无法直接获得，只能通过一些传统的手段进行表征，如红外测温，但是该方法成本高昂，操作复杂，分析繁琐，不利于发热情况的及时掌握。因此，如若能获得一种能自我感知发热情况并进行实时监测的智能封装材料，应用于IGBT模块，那么对于及时掌握IGBT模块的发热情况将起到关键作用，并极大地提升IGBT模块的运行可靠性。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有温度实时预警功能的智能环氧封装材料及其制备方法和应用。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开的一种具有温度实时预警功能的智能环氧封装材料，以质量份数计，包括：
Figure BDA0003156370630000021
优选地，所述热致变色微胶囊采用荧烷类热致变色微胶囊。
优选地，所述环氧树脂为缩水甘油醚类环氧树脂或缩水甘油胺类环氧树脂。
进一步优选地，所述缩水甘油醚类环氧树脂为E51型环氧树脂。
优选地，所述酸酐固化剂为甲基四氢苯酐、甲基六氢苯酐或邻苯二甲酸酐。
优选地，所述叔胺促进剂为2，4，6-三(二甲胺基甲基)苯酚、二甲胺基甲基或2-乙基-4-甲基咪唑。
本发明还公开了上述的具有温度实时预警功能的智能环氧封装材料的制备方法，包括以下步骤：
1)按质量配比，将环氧树脂和热致变色微胶囊混合后，先搅拌再超声振荡，获得混合物；
2)按质量配比，向上述混合物中加入酸酐固化剂和叔胺促进剂，充分混匀后进行真空排气，制得具有温度实时预警功能的智能环氧封装材料。
优选地，步骤1)中，搅拌转速为500～3000r/min，搅拌时间至少15min；超声振荡处理时间至少15min，超声功率至少500W；
优选地，步骤2)中，充分混合均匀是在转速为500～3000r/min的条件下至少搅拌处理10min。
本发明还公开了上述的具有温度实时预警功能的智能环氧封装材料在制备绝缘栅双极型晶体管中的应用，制备时包括以下步骤：
步骤1：将大功率的绝缘栅双极型晶体管模块进行预烘干以除去其中残留的水分；
步骤2：将所述的具有温度实时预警功能的智能环氧封装材料均匀灌入预烘干处理后的绝缘栅双极型晶体管模块中；
步骤3：将步骤2灌封完毕的绝缘栅双极型晶体管模块按照阶梯式升温方式进行固化，制得绝缘栅双极型晶体管。
优选地，步骤3中所述的阶梯式升温方式进行固化具体操作为：由室温升至80℃保温2h，然后升至105℃保温2h，最后升至120℃保温4h。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开的具有温度实时预警功能的智能环氧封装材料，配方中包含热致变色微囊和环氧树脂基体，热致变色微胶囊的颜色可以随周围环境温度的变化而变化，作为一种微观化学温度传感器被添加到环氧树脂基体中，能够实现材料微观局部区域温度原位表征的功能，而环氧树脂基体则很好的起到绝缘封装的作用，与此同时再采用酸酐固化剂固化环氧树脂，采用叔胺促进剂加速反应进行，该配方的优化选择，可以实现环氧树脂更优异的介电性能与力学性能。因此，该封装材料在对IGBT模块起到绝缘封装作用的同时，还能够对模块各个位置的温度进行原位实时感知。
基于上述材料的优异性质，本发明还公开了上述具有温度实时预警功能的智能环氧封装材料在制备绝缘栅双极型晶体管中的应用，一旦IGBT模块在高功率损耗下产生的剧烈温升超过智能封装材料预先设计的温度阈值后，智能封装材料将立刻发生颜色变化，实现对IGBT模块发热情况的实时预警，能够便捷、及时地掌握IGBT模块的发热异常情况，对于提高IGBT模块的运行可靠性以及IGBT模块的智能化发展具有重要的意义。
附图说明
图1a为低于预警温度时，IGBT模块的颜色照片；
图1b为低于预警温度时，IGBT模块的红外测温结果；
图2a为高于预警温度时，IGBT模块的颜色照片；
图2b为高于预警温度时，IGBT模块的红外测温结果。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1
一种智能环氧封装材料，由以下质量份数的组分混合而成：
Figure BDA0003156370630000041
Figure BDA0003156370630000051
本发明实施例所使用荧烷类热致变色微胶囊通过深圳市千色变新材料有限公司购买获得，产品型号为DR-31-Z。
将上述各组分按如下方法制备智能环氧封装材料：按配比称取E51型环氧树脂与荧烷类热致变色微胶囊，混合搅拌至少10min，转速1000r/min，并进行超声振荡，在500W下振荡至少15min；按配比向上述混合物中加入酸酐固化剂(如甲基四氢苯酐)和叔胺促进剂(如2-乙基-4-甲基咪唑)，混合搅拌至少10min，转速2000r/min，并真空排气至少10min。
将本实施例上述的智能环氧封装材料在大功率绝缘栅双极型晶体管模块中作为封装材料进行应用，包含以下步骤：
步骤1)将所述大功率绝缘栅双极型晶体管模块进行预烘干以除去其中残留的水分；
步骤2)将智能封装材料均匀灌入预烘干后的大功率绝缘栅双极型晶体管模块中
步骤3)灌封完毕后，按照阶梯式升温方式进行固化，首先80℃保温2h，升至后105℃保温2h，最后升至120℃保温4h。
实施例2
一种智能环氧封装材料，由以下质量份数的组分混合而成：
Figure BDA0003156370630000052
将上述各组分按如下方法制备智能环氧封装材料：按配比称取E51型环氧树脂与荧烷类热致变色微胶囊，混合搅拌至少15min，转速1500r/min，并进行超声振荡，在600W下振荡至少15min；按配比向上述混合物中加入酸酐固化剂(如甲基四氢苯酐)和叔胺促进剂(如2-乙基-4-甲基咪唑)，混合搅拌至少10min，转速2000r/min，并真空排气至少10min。
将本实施例上述的智能环氧封装材料在大功率绝缘栅双极型晶体管模块中作为封装材料进行应用，包含以下步骤：
步骤1)将所述大功率绝缘栅双极型晶体管模块进行预烘干以除去其中残留的水分；
步骤2)将智能封装材料均匀灌入预烘干后的大功率绝缘栅双极型晶体管模块中；
步骤3)灌封完毕后，按照阶梯式升温方式进行固化，首先80℃保温2h，然后升至105℃保温2h，最后升至120℃保温4h。
实施例3
一种智能环氧封装材料，由以下质量份数的组分混合而成：
Figure BDA0003156370630000061
将上述各组分按如下方法制备智能环氧封装材料：按配比称取E51型环氧树脂与荧烷类热致变色微胶囊，混合搅拌至少15min，转速1500r/min，并进行超声振荡，在650W下振荡至少15min；按配比向上述混合物中加入酸酐固化剂(如甲基四氢苯酐)和叔胺促进剂(如2-乙基-4-甲基咪唑)，混合搅拌至少10min，转速2000r/min，并真空排气至少10min。
将本实施例上述的智能环氧封装材料在大功率绝缘栅双极型晶体管模块中作为封装材料进行应用，包含以下步骤：
步骤1)将所述大功率绝缘栅双极型晶体管模块进行预烘干以除去其中残留的水分；
步骤2)将智能封装材料均匀灌入预烘干后的大功率绝缘栅双极型晶体管模块中
步骤3)灌封完毕后，按照阶梯式升温方式进行固化，首先80℃保温2h，然后升至105℃保温2h，最后升至120℃保温4h。
为了验证封装材料在IGBT模块中的预警能力，对IGBT模块施加直流激励，使其产生剧烈发热，观察其颜色变化情况。结果参见图1a、1b和图2a和2b，分别给出了低于预警温度时，IGBT模块的颜色及对应的红外测温结果和高于预警温度时，IGBT模块的颜色及对应的红外测温结果。
首先根据IGBT模块在实际工况下的发热情况，拟定正常工作的上限阈值温度，以此上阈值温度设计热致变色微胶囊的变色温度，即为预警温度。当IGBT工作温度低于预警温度时，IGBT模块处于正常工作温度范围内，封装材料呈现出红色；当IGBT工作温度高于预警温度时，封装材料发生热致变色，呈现出黄色。
采用的IGBT模块额定电压电流为1200V、150A，施加的直流激励功率为113W。从附图可以看出，施加直流激励后，温度快速升高，超过预警温度至80℃以上，此时封装材料的颜色迅速发生变化，从而实现了温度预警的功能。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有温度实时预警功能的智能环氧封装材料，其特征在于，以质量份数计，包括：
Figure FDA0003156370620000011
2.根据权利要求1所述的具有温度实时预警功能的智能环氧封装材料，其特征在于，所述热致变色微胶囊采用荧烷类热致变色微胶囊。
3.根据权利要求1所述的具有温度实时预警功能的智能环氧封装材料，其特征在于，所述环氧树脂为缩水甘油醚类环氧树脂或缩水甘油胺类环氧树脂。
4.根据权利要求3所述的具有温度实时预警功能的智能环氧封装材料，其特征在于，所述缩水甘油醚类环氧树脂为E51型环氧树脂。
5.根据权利要求1所述的具有温度实时预警功能的智能环氧封装材料，其特征在于，所述酸酐固化剂为甲基四氢苯酐、甲基六氢苯酐或邻苯二甲酸酐。
6.根据权利要求1所述的具有温度实时预警功能的智能环氧封装材料，其特征在于，所述叔胺促进剂为2，4，6-三(二甲胺基甲基)苯酚、二甲胺基甲基或2-乙基-4-甲基咪唑。
7.权利要求1～6中任意一项所述的具有温度实时预警功能的智能环氧封装材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按质量配比，将环氧树脂和热致变色微胶囊混合后，先搅拌再超声振荡，获得混合物；
2)按质量配比，向上述混合物中加入酸酐固化剂和叔胺促进剂，充分混匀后进行真空排气，制得具有温度实时预警功能的智能环氧封装材料。
8.根据权利要求7所述的具有温度实时预警功能的智能环氧封装材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，搅拌转速为500～3000r/min，搅拌时间至少15min；超声振荡处理时间至少15min，超声功率为500～800W；
步骤2)中，充分混合均匀是在转速为500～3000r/min的条件下至少搅拌处理10min。
9.权利要求1～6中任意一项所述的具有温度实时预警功能的智能环氧封装材料在制备绝缘栅双极型晶体管中的应用，其特征在于，制备时包括以下步骤：
步骤1：将大功率的绝缘栅双极型晶体管模块进行预烘干以除去其中残留的水分；
步骤2：将所述的具有温度实时预警功能的智能环氧封装材料均匀灌入预烘干处理后的绝缘栅双极型晶体管模块中；
步骤3：将步骤2灌封完毕的绝缘栅双极型晶体管模块按照阶梯式升温方式进行固化，制得绝缘栅双极型晶体管。
10.如权利要求9所述的应用，其特征在于，步骤3中所述的阶梯式升温方式进行固化具体操作为：由室温升至80℃保温2h，然后升至105℃保温2h，最后升至120℃保温4h。
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