CN115820207A

CN115820207A - 木质素基硅凝胶及其制备方法与igbt中的应用与igbt封装结构

Info

Publication number: CN115820207A
Application number: CN202310013059.3A
Authority: CN
Inventors: 段金炽; 廖光朝
Original assignee: Chongqing Yuntong Technology Co ltd
Current assignee: Chongqing Yuntong Technology Co ltd
Priority date: 2023-01-05
Filing date: 2023-01-05
Publication date: 2023-03-21

Abstract

本发明涉及半导体功率模块封装技术领域，尤其涉及木质素基硅凝胶及其制备方法与IGBT中的应用与IGBT封装结构，采用羟甲基木质素为主要原料，氨水作催化剂，利用硅烷的硅羟基和木质素醇羟基的缩合反应将硅烷链段引入，最后羟甲基木质素与自身或硅烷链段之间不断发生缩聚反应，合成木质素基硅烷树脂。上述木质素基硅凝胶可以应用在IGBT封装中，所述木质素基硅凝胶完全覆盖住IGBT模块中的电子器件。本发明中石墨材料和木质素中的苯环在某种程度上赋予了复合的灌封胶电磁屏蔽功能，并改善现有的功率模块封装没有减少电磁干扰缺点，辅助提高IGBT模块的运行安全可靠性。

Description

木质素基硅凝胶及其制备方法与IGBT中的应用与IGBT封装结构

技术领域

本发明涉及半导体功率模块封装技术领域，尤其涉及木质素基硅凝胶及其制备方法与IGBT中的应用与IGBT封装结构。

背景技术

半导体功率模块一般由半导体功率芯片、FRD芯片、DBC、焊料、基板、铝/铜铝线、元件等组件组成，目前市场上主流的半导体功率模块的封装主要是通过无铅焊料将功率芯片的集电极和与之反并联的二极管芯片（FRD）的阳极焊接在覆铜陶瓷基板（DBC）上，然后利用引线键合的方式实现芯片与芯片之间以及芯片与DBC板的电气互连，在DBC的另一侧连接有铜基板，铜基板通过导热硅脂与散热器连接，实现半导体功率模块的散热。上述封装方式存在灌封结构散热性和力学性能较差，同时没有考虑电磁干扰的影响的问题。

硅凝胶常用于半导体功率模块封装工序中的灌封，对电源和电子元器进行长期有效的保护。有机硅材料具有稳定的介电绝缘性，是防止环境污染的有效屏障，同时在较大的温度和湿度范围内能消除冲击和震动所产生的应力。除了能够在各种工作环境下保持它们的物理和电学性能以外，有机硅材料还需要抵抗臭氧和紫外线降解。灌封用硅凝胶的材料要求是粘结性强、自修复性好、电绝缘性优异。目前半导体功率模块灌封用硅凝胶的其主要成分有以聚甲基乙烯基硅氧烷为基础硅油，端含氢硅油为扩链剂，侧链含氢硅油为交联剂，辅以铂金催化剂和炔醇类抑制剂。

由于半导体功率模块参数随温度变化，开关瞬变的波形也随着温度的变化而变化，电磁干扰、功率损耗等都与开关过程的瞬变波形有关。导体功率器件模块在开通和关断暂态过程产生的高电压和电流变化率及由此带来的电流电压尖峰是电磁干扰的主要来源。灌封的硅凝胶起不到芯片的电磁保护作用。此外，硅凝胶所能承受的温度变化范围为-100℃到200℃以上，因为在某些非常规状态下，模块的温度有超过上限值的可能性。其次，硅凝胶固化之后的力学性能仍然较差，无法抵抗强度较大的机械冲击。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供木质素基硅凝胶及其制备方法与IGBT中的应用与IGBT封装结构，用于解决现有IGBT模块封装未考虑电磁干扰影响的问题。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

本发明的第一方面在于提供一种木质素基硅凝胶，所述木质素基硅凝胶包括以下原料：改性木质素、氨水和基胶，所述改性木质素、氨水和基胶的质量比为1:1.8～2.2:2.8～3.2。

结合第一方面，在一些可选的实施例中，所述改性木质素是将碱木质素进行羟甲基化改性，所述基胶为二甲基硅烷、三甲基硅烷、四甲基硅烷、二苯甲基硅烷、三苯甲基硅烷、聚缩甲基硅烷、甲基苯基二甲氧基硅烷中的一种或多种。

本发明的第二方面在于提供了一种木质素基硅凝胶的制备方法，所述制备方法如下：

称取改性木质素和氨水混合搅拌，控制温度在65～95℃，逐滴加入基胶，保温反应，得到的反应液进行减压蒸馏，得到木质素基硅凝胶。

采用羟甲基木质素为主要原料，氨水作催化剂，利用硅烷的硅羟基和木质素醇羟基的缩合反应将硅烷链段引入，最后羟甲基木质素与自身或硅烷链段之间不断发生缩聚反应，合成木质素基硅烷树脂。

结合第二方面，在一些可选的实施例中，所述制备方法包括如下步骤：分别称取改性木质素和氨水混合，加热升温至65～75℃搅拌15～25min，继续升温至90～98℃搅拌42～48min,随后逐滴加入甲基苯基二甲氧基硅烷，保温反应25～35min，得到的反应液减压进行蒸馏，得到木质素基硅凝胶。

结合第二方面，在一些可选的实施例中，所述改性木质素的制备方法如下：

将质量比为1:1:0.5的碱木质素、甲醛溶液、去离子水混合，置入装有温度计、搅拌机和冷凝管的反应容器中，使用1mol/L的氢氧化钠溶液调节混合溶液pH>9，加热至60～80℃，搅拌反应30～60min后，取出用1mol/L的盐酸溶液调节反应溶液pH=2，析出的产物经离心、冲洗、冷冻干燥，得到羟甲基化改性木质素。

在碱性条件下（PH>9），木质素和甲醛可能发生3种反应：Lederer-Manasse反应，Tollens反应和Prings反应。在Lederer-Manasse反应中，酚羟基被OH-活化而变为氧负离子，氧负离子上的电子离域到芳香环上，与芳香环形成P-π共轭体系，使酚羟基邻位和对位的电子云密度增加。作为亲电试剂的甲醛靠近酚羟基对位或邻位时，发生亲电加成反应，在邻位或对位接入羟甲基；在Tollens反应中，当木质素存在特定结构单元时（具有α位质子，β位吸电子基团），碱性条件下酚羟基发生活化，氧的负电子离域到芳香环上，从而使Cα与C1间形成双键，与芳香环形成P-π共轭体系，又因芳香环侧链β 位吸电子基团影响，Cα与C1双键上的电子向Cα发生偏移，Cα上电子云密度增大，当甲醛靠近 Cα 时，发生亲电加成反应生成羟甲基；对于具有Cα和Cβ双键的木质素结构单元，酚羟基首先在碱性条件下发生活化形成氧负离子，氧负离子的电子离域到芳香环上，Cα与C1间形成双键，溶液中的OH-进攻Cα、Cα和Cβ双键的电子转移到 Cβ 上，作为亲电试剂的甲醛和具有负电子的Ｃβ发生亲电加成反应生成羟甲基，这种形成过程为Prings反应。

本发明的第三方面在于提供了上述木质素基硅凝胶或者上述制备方法制备得到的木质素基硅凝胶在IGBT封装中的应用，所述木质素基硅凝胶完全覆盖住IGBT模块中的电子器件。

本发明的第四方面在于提供了一种IGBT封装结构，所述IGBT封装结构中包括木质素基硅凝胶覆盖层，所述木质素基硅凝胶覆盖层由上述木质素基硅凝胶，或者上述制备方法制备得到的木质素基硅凝胶固化形成，所述木质素基硅凝胶覆盖层完全覆盖住IGBT模块中的电子器件。

本发明的第五方面在于提供了上述IGBT封装结构的封装方法，所述封装方法包括如下步骤：

将键合完成的IGBT模块放入聚四氟乙烯框架内，将木质素基硅凝胶通过灌胶机灌入IGBT模块中完全覆盖住电子器件之后，在真空固化炉中固化形成木质素基硅凝胶覆盖层，在木质素基硅凝胶覆盖层上铺上改性石墨层，再次将木质素基硅凝胶灌入模块并固化，得到封装完成的IGBT封装结构。

结合第五方面，在一些可选的实施例中，所述改性石墨层的制备方法如下：

由95%的EtOH和5%的H₂O配成醇－水溶液，加入AcOH使pH为4.5～5.5，搅拌下加入偶联剂使浓度达2%，搅拌5min后，加入石墨材料浸泡5～30min，取出并浸入EtOH中漂洗2次，晾干后，移入80～110℃的鼓风干燥箱中干干燥5～30min。

结合第五方面，在一些可选的实施例中，所述石墨材料为石墨纸、石墨粉、石墨毡、石墨网中的一种或多种。

本发明相较于传统的封装方式，采用木质素基硅凝胶覆盖层可以省去传统封装塑料保护外壳，增强模块散热性的同时减少封装成本；木质素基硅凝胶覆盖具有良好的力学性能和具有电磁波吸收能力，能够吸收半导体功率模块运行过程中产生的部分电磁波和其他电子器件辐射的电磁波，能够减少半导体功率模块和其他电子器件之间的相互影响；能够对导体功率器件电源和电子元器进行长期有效的保护；同时在较大的温度和湿度范围内能消除冲击和震动所产生的应力。

本发明中石墨材料和木质素中的苯环在某种程度上赋予了复合的灌封胶电磁屏蔽功能，并改善现有的功率模块封装没有减少电磁干扰缺点，辅助提高IGBT模块的运行安全可靠性。

附图说明

图1是本发明木质素羟甲基化反应过程图；

图2是本发明实施例木质素改性处理红外对比图；

图3是本发明木质素基硅凝胶合成原理图；

图4是本发明电磁屏蔽效果图；

图5是本发明的IGBT封装结构的结构示意图；

其中，木质素基硅凝胶覆盖层1、改性石墨层2。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

以下实施例中用到的基胶为二甲基硅烷、三甲基硅烷、四甲基硅烷、二苯甲基硅烷、三苯甲基硅烷、聚缩甲基硅烷、甲基苯基二甲氧基硅烷中的一种或多种，优选甲基苯基二甲氧基硅烷；石墨材料为石墨纸、石墨粉、石墨毡、石墨网中的一种或多种，优选石墨网（3M公司的AB5050SHF，厚度0.5µm）；偶联剂可以是氨基硅烷、环氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基硅烷等中的一种或多种，优选γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷。

实施例1

本实施例的木质素基硅凝胶的制备方法如下：

制备改性木质素：将100g碱木质素、100g甲醛、50mL去离子水混合，置入装有温度计、搅拌机和冷凝管的反应容器中，使用1mol/L的氢氧化钠溶液调节混合溶液pH>9，加热至60℃，搅拌反应30min后，取出用1mol/L的盐酸溶液调节反应溶液pH=2，析出的产物经离心、冲洗、冷冻干燥，得到羟甲基化改性木质素。

上述木质素羟甲基化反应过程如图1所示。

制备木质素基硅凝胶：分别称取50g改性木质素和90g氨水混合，加热升温至65℃搅拌15min，继续升温至90℃搅拌42min，随后逐滴加入140g甲基苯基二甲氧基硅烷，保温反应25min，得到的反应液减压进行蒸馏，得到木质素基硅凝胶。

上述木质素基硅凝胶合成原理如图3所示。

实施例2

制备改性木质素：将碱木质素100g、甲醛100g、去离子水50g混合，置入装有温度计、搅拌机和冷凝管的反应容器中，使用1mol/L的氢氧化钠溶液调节混合溶液pH>9，加热至70℃，搅拌反应50min后，取出用1mol/L的盐酸溶液调节反应溶液pH=2，析出的产物经离心、冲洗、冷冻干燥，得到羟甲基化改性木质素。

图2为本实施例制备的羟甲基化改性木质素与碱木质素的红外吸收光谱图，从红外光谱可以发现羟甲基化改性木质素和碱木质素具有相同的官能团。

制备木质素基硅凝胶：称取50g的改性木质素置于烧瓶中，称取100g氨水作催化剂，第一阶段在70℃左右搅拌20min，第二阶段在95℃左右搅拌45min；在第二阶段结束时加入逐滴加入甲基苯基二甲氧基硅烷，甲基苯基二甲氧基硅烷的量是150g；第三阶段继续保持95℃反应30min，而后进行减压蒸馏处理，得到木质素基硅凝胶。

分别对本实施例制备得到的木质素基硅凝胶和市售的普通硅凝胶进行力学性能测试，测试结果如下表所示：

	附着力	拉伸断裂强度(MPa)	断裂伸长率(%)	杨氏模量（MPa）	硬度(shore A°)
						市售	2	6.7	125	5.8	19
实施例2	5	16.3	156	13.5	37

上表的数据表明，本实施例制备得到的木质素基硅凝胶相较于市售的普通硅凝胶，具有较强的附着力，以及优异的力学性能和较高的硬度。

实施例3

制备改性木质素：将碱木质素100g、甲醛100g、去离子水50g混合，置入装有温度计、搅拌机和冷凝管的反应容器中，使用1mol/L的氢氧化钠溶液调节混合溶液pH>9，加热至80℃，搅拌反应60min后，取出用1mol/L的盐酸溶液调节反应溶液pH=2，析出的产物经离心、冲洗、冷冻干燥，得到羟甲基化改性木质素。

制备木质素基硅凝胶：分别称取50g改性木质素和110g氨水混合，加热升温至75℃搅拌25min，继续升温98℃搅拌48min,随后逐滴加入160g甲基苯基二甲氧基硅烷，保温反应35min，得到的反应液减压进行蒸馏，得到木质素基硅凝胶。

实施例1-3制备得到的木质素基硅凝胶可以应用于IGBT封装中，其中木质素基硅凝胶完全覆盖住IGBT模块中的电子器件，例如芯片、键合引线等。

实施例4

本实施例提供了一种IGBT封装结构的封装方法，所述封装方法包括如下步骤：

制备改性石墨：由95%的EtOH和5%的H₂O配成醇－水溶液，加入AcOH使pH为4.5～5.5，搅拌下加入偶联剂使浓度达2%，搅拌5min后，加入石墨材料浸泡30min，取出并浸入EtOH中漂洗2次，晾干后，移入100℃的鼓风干燥箱中干干燥30min。

IGBT模块的封装：将键合完成的IGBT模块放入聚四氟乙烯框架内，将木质素基硅凝胶通过灌胶机灌入IGBT模块中完全覆盖住电子器件之后，在真空固化炉中固化形成木质素基硅凝胶覆盖层1，在木质素基硅凝胶覆盖层上铺上改性石墨层2，再次将木质素基硅凝胶灌入模块并固化，得到封装完成的IGBT封装结构。

对比实施例1

将键合完成的IGBT模块放入聚四氟乙烯框架内，将木质素基硅凝胶通过灌胶机灌入IGBT模块中完全覆盖住电子器件之后，在真空固化炉中固化形成木质素基硅凝胶覆盖层，得到封装完成的IGBT封装结构。

分别对实施例4和对比实施例1的封装结构进行电磁屏蔽效果测试，使用矢量网络分析仪（VNA）（N5247A，安捷伦科技公司）测量 X 波段（8.2-12.4 GHZ）、Ku 波段（12.4-18GHZ）的电磁屏蔽效能。测试结果如图4所示，其中的（a）为X 波段的电磁屏蔽效能，（b）为Ku波段的电磁屏蔽效能。图4的数据表明，相较于单一的木质素基硅凝胶封装，木质素基硅凝胶复合碳网具有明显的电磁屏蔽效果。

实施例5

制备改性石墨：由95%的EtOH和5%的H₂O配成醇－水溶液，加入AcOH使pH为4.5～5.5，搅拌下加入偶联剂使浓度达2%，搅拌5min后，加入石墨材料浸泡5min，取出并浸入EtOH中漂洗2次，晾干后，移入80℃的鼓风干燥箱中干干燥5min。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims

1.木质素基硅凝胶，其特征在于，所述木质素基硅凝胶包括以下原料：改性木质素、氨水和基胶，所述改性木质素、氨水和基胶的质量比为1:1.8～2.2:2.8～3.2。

2.根据权利要求1所述的木质素基硅凝胶，其特征在于，所述改性木质素是将碱木质素进行羟甲基化改性，所述基胶为二甲基硅烷、三甲基硅烷、四甲基硅烷、二苯甲基硅烷、三苯甲基硅烷、聚缩甲基硅烷、甲基苯基二甲氧基硅烷中的一种或多种。

3.木质素基硅凝胶的制备方法，其特征在于，所述制备方法如下：称取改性木质素和氨水混合搅拌，控制温度在65～95℃，逐滴加入基胶，保温反应，得到的反应液进行减压蒸馏，得到木质素基硅凝胶。

4.根据权利要求3所述的木质素基硅凝胶的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：分别称取改性木质素和氨水混合，加热升温至65～75℃搅拌15～25min，继续升温至90～98℃搅拌42～48min,随后逐滴加入基胶，保温反应25～35min，得到的反应液减压进行蒸馏，得到木质素基硅凝胶。

5.根据权利要求4所述的木质素基硅凝胶的制备方法，其特征在于，所述改性木质素的制备方法如下：将质量比为1:1:0.5的碱木质素、甲醛、去离子水混合，置入装有温度计、搅拌机和冷凝管的反应容器中，使用1mol/L的氢氧化钠溶液调节混合溶液pH>9，加热至60～80℃，搅拌反应30～60min后，取出用1mol/L的盐酸溶液调节反应溶液pH=2，析出的产物经离心、冲洗、冷冻干燥，得到羟甲基化改性木质素。

6.根据权利要求1或2所述的木质素基硅凝胶，或者权利要求3-5任一项所述的制备方法制备得到的木质素基硅凝胶在IGBT封装中的应用，所述木质素基硅凝胶完全覆盖住IGBT模块中的电子器件。

7.一种IGBT封装结构，其特征在于，所述IGBT封装结构中包括木质素基硅凝胶覆盖层，所述木质素基硅凝胶覆盖层由权利要求1或2所述的木质素基硅凝胶，或者权利要求3-5任一项所述的制备方法制备得到的木质素基硅凝胶固化形成，所述木质素基硅凝胶覆盖层完全覆盖住IGBT模块中的电子器件。

8.根据权利要求7所述的IGBT封装结构的封装方法，其特征在于，所述封装方法包括如下步骤：将键合完成的IGBT模块放入聚四氟乙烯框架内，将木质素基硅凝胶通过灌胶机灌入IGBT模块中完全覆盖住电子器件之后，在真空固化炉中固化形成木质素基硅凝胶覆盖层，在木质素基硅凝胶覆盖层上铺上改性石墨层，再次将木质素基硅凝胶灌入模块并固化，得到封装完成的IGBT封装结构。

9.根据权利要求8所述的IGBT封装结构的封装方法，其特征在于，所述改性石墨层的制备方法如下：由95%的EtOH和5%的H₂O配成醇－水溶液，加入AcOH使pH为4.5～5.5，搅拌下加入偶联剂使浓度达2%，搅拌5min后，加入石墨材料浸泡5～30min，取出并浸入EtOH中漂洗2次，晾干后，移入80～110℃的鼓风干燥箱中干干燥5～30min。

10.根据权利要求9所述的IGBT封装结构的封装方法，其特征在于，所述石墨材料为石墨纸、石墨粉、石墨毡、石墨网中的一种或多种。