功率模块电源灌封材料的选用和灌封工艺的研究

1、功率模块电源灌封材料的选用和灌封工艺的研究摘要：本文通过对功率模块电源散热和绝缘性能的要求进行分析，对灌封材料进行选用，并对灌封工艺进行了研究，提出了旋转灌封这种新的灌封工艺，使用选用的灌封材料和新的灌封工艺能完全满足功率模块电源封装的要求。关键词：功率模块电源灌封材料旋转灌封Abstract：BasedontheanalysisofmaterialselectionandrequirementsofThermalconditionsandinsulatedconditionsofpowermoduleconvertor,encapsulationprocesswasstudiedandane

2、wtechnologyonrotatingencapsulationencapsulationprocesswasputforwardinthispaper.Theoptionalencapsulationmaterialandthisnewtechnologycanfullymeettherequirementsofthemoduleencapsulation.Keywords：powermoduleconvertor,encapsulationmeterial,rotatingencapsulationprocess引言目前，功率模块电源在各种电子设备中使用的越来越广泛，随着电子技术的飞速

3、发展，功率模块电源的体积越来越小，功率也越来越大，绝缘性能要求越来越高。特别是在军用的电子设备中，不仅对功率模块电源的体积和功率要求越来越高，对它的绝缘性能要求也越来越严格，且还要满足SJ20668的要求。故功率模块电源内部需要进行灌封，灌封1就是指把组装在pcb上的各种元器件借助灌封材料，以防止水分、各种有害气体、尘埃对电子元器件的浸入，并能减缓震动防止外力损伤以及优化和稳定电子元器件的参数。而对于功率电源来说，若内部产生的热量不能很好的散发到外界环境中，会造成电源内部产生局部高温，会损伤模块电源内部的元器件，故会影响到电源的使用寿命及可靠性，故功率的提高要求灌封材料要具有良好的导热率和绝缘

4、性能，而且灌封后模块内部硫化的胶体不能有空腔和气泡，便于模块内部在工作中产生的热量能良好的传递到周围的环境中去。本单位目前制作的功率模块电源功率在50W400W之间，模块封装结构为全砖结构、半砖结构以及微砖结构，对产品的效率要求为82%以上，绝缘要求为3000VAC，由于功率模块电源的这些性能要求，具有良好导热率和绝缘性能的灌封材料的选用以及合适的灌封工艺对于功率模块电源的使用寿命和可靠性起着非常重要的作用。灌封材料的选用常用的灌封材料有三大类2：环氧树脂，有机硅和聚氨酯。环氧树脂灌封材料的特点是收缩率小、无副产物、优良的电绝缘性能，但受分子结构本身的限制耐热性不高，导热率低，一般只用于常温条

5、件下的电子元器件的灌封。聚氨酯灌封材料常用于汽车干式点火线圈和摩托车无触点点火装置的封装。但聚氨酯在应用中有如下问题：灌封胶表面过软、易起泡；固化不充分且高温固化时易发脆，应力大；灌封胶表面有花纹现象，故聚氨酯灌封材料也仅用于普通电器元件的灌封。本单位制作的模块电源经常应用在航空、航天、船舶等领域，这些领域工作环境条件更加苛刻，模块工作温度在-55C-105C。基于以上工作环境，对灌封材料提出以下性能要求：(1)电性能方面要求绝缘强度和绝缘电阻高，介质损耗和介质常数小，电参数随温度和频率的变化小；(2)物理机械方面，要求抗张强度大，冲击强度和热变形温度高，线膨胀系数和收缩率小；(3)工艺性能方

6、面和其它两类树脂一样要求粘度小，适用期长，固化温度尽可能低，灌封材料最好无毒或低毒，由此可见各方面的性能要求都很高。而环氧树脂和聚氨酯类的灌封材料基本上不能满足上述要求。有机硅灌封材料因其特殊的硅氧键主链结构而具有线胀系数低、能承受急剧的温度变化冲击、灌封器件材料粘接性好、不脱层、固化收缩率低、机械性能好、电绝缘性能优越等一系列的优点，在这些领域应用的越来越广泛。有机硅灌封材料又分为加成型液体灌封硅橡胶、导热有机硅灌封橡胶、LED灌封硅橡胶以及有机硅凝胶灌封材料这四种。以本单位研制生产的一种输出功率150W的模块电源为例，它的封装结构为半砖结构，体积为61.2X58.2X13.4mm3，效率为

7、86%,内部热量通过传导方式传递到外壳，然后散发到周围环境，通过导热基本定律（傅里叶定律）计算所需的灌封胶的导热率为：1.39W/m.C。计算公式如下：单位时间的导热量丄为规定温度下（45C）满负荷工作与发热器件节温的70%（比如功率管为105C）的温度差Rt二、，为导热胶体的材料厚度，：为导热胶体的导热系数（W/m.C）,s为垂直于导热方向的截面积。故对于功率模块电路来说，内部采用的灌封材料应为导热有机硅灌封材料。而导热有机硅灌封材料通常是制造商通过各种技术方法在有机硅灌封材料里面添加AlO、AlN、SiC和BN等材料，使灌封材料的导热率得到很大的提高。在高导23热硅灌封材料领域有美国数家以

8、上生产的不同型号的高导热率灌封胶，国内有合肥博发新材料公司生产的高导热灌封胶，根据本单位生产的产品以及模块电源向高功率发展的趋势，我们选定了其中一家的高导热硅灌封材料作为我们在研制和生产过程中使用的灌封材料，此材料的性能特性如表一：表一：高导热硅灌封材料性能表粘度（CP）35000导热率（W/mC）3.2灌封工艺的研究2.1灌封工艺的研究目前常用的灌封工艺基本上分为模具成型和无模具成型3两种，这两种灌封方式又分为常压和真空灌封两种灌封方法。常压灌封就是在常规环境下将配置好的灌封胶倾倒入或通过压力注入到需要灌封的产品里，通过胶体的自己流平将整个灌封腔体灌满，这种灌封方式只适合与胶体粘度比较低且灌

9、封体内的结构不复杂的情况，才能快速将灌封腔体流平；真空灌封方式就是在真空环境下将配置好的胶体通过压力注入到需要灌封的腔体内，通过压力将胶体流平至将整个灌封腔体灌满，真空灌封的灌封效果要比常压灌封的效果要好，能有效去除灌封后产品中的气泡,但真空灌封生产效率低且会造成灌封胶浪费较大。但常压灌封只能适合灌封腔体不是全密封结构的产品，对于内部结构负责的模块电源进行灌封，产品内部会有空腔和气泡的产生。如果灌封产品内部结构比较复杂，且产品全密封虽然真空灌封能满足灌封工艺要求，这种真空灌封工艺一般是浸入式灌封工艺，生产效率低且造成大量的灌封胶浪费。本单位生产的模块电源内部结构比较复杂，磁性元器件和场效应管通

10、过表面贴装的工艺方式贴装在金属铝板上，内部组装采用板级三维叠装的方式进行组装然后采用塑料外壳与金属铝板把组装好的器件封装起来，塑料外壳上只留一个05mm左右的灌封孔，对这个封装体内部采用我们选用的灌封胶进行灌封，由于灌封胶粘度很高，使用常压灌封方式进行灌封，会造成灌封完胶体硫化后内部有很多空腔和气泡，影响产品的散热，从而影响产品的可靠性和使用寿命，使用真空灌封虽然满足可靠性要求但影响生产效率且浪费灌封胶。对于这种复杂的封装结构以及灌封材料黏度很高的情况，我们采用旋转灌封工艺来对模块电源进行灌封，旋转灌封将模块电源固定在旋转工作台上，通过旋转时产生的离心力将胶体甩到模块内部的每一个角落，相对离心

11、力(RCF)的大小取决于产品在离心时的旋转半径和转速：RCF=1.118X10-5Xn2XrXg其中：n表示转速(r/min)r表示旋转半径（cm）g表示重力加速度（9.8N/Kg）随着胶体的不断注入以及旋转，最终将模块内部灌满，并通过离心力将胶体内部产生的气体从模块内部赶出，通过灌封孔排到大气里面，灌封工艺流程图如下：图一:灌封工艺流程图2.2旋转灌封机的制作由于灌封工艺采用旋转灌封工艺的方式,因此设计定制了一台旋转灌封机，如图二所示，旋转灌封机的设计需求为:转速2003000r/min、能无极变速、旋转台在工作状态下要工作平稳、旋转台上能固定要工作的模块、模块在工作状态下能进行灌封胶的灌注

12、等。工作状态下的旋转台如图三所示。图二：旋转灌封机图三：工作状态下的旋转灌封机这种灌封方式不受模块内部结构的复杂程度以及胶体粘度的影响，能将模块内部完全灌满，胶体硫化后内部致密无空腔与气泡，满足大功率模块的散热需要,且同种型号的产品批次、批间灌封后不同产品的重量差在1.5g以内。下图为灌封后胶体硫化后解剖样品，灌封胶非常致密，无空腔与气泡。图四：灌封后胶体硫化后解剖样品结论本文所选用的导热硅橡胶导热率很高，对于大部分的需要灌封来保证散热的模块电源来说，它都是一种优良的灌封胶。由于模块电源内部组装结构复杂，既要灌封质量满足产品性能需求，又要满足一定的生产效率和减少胶体的浪费，常压灌封不能保证模块电源的灌封质量，真空灌封不能满足相应的生产效率和减少胶体浪费的需求，而旋转灌封工艺技术就能完全满足模块电源对灌封的需求，通过这种技术灌封的产品硫化后内部胶体致密，无空腔与气泡，能