本發(fā)明涉及有機硅凝膠領(lǐng)域，具體涉及一種用于防硫化氫(h2s)氣體侵蝕的大功率igbt封裝用雙組分有機硅凝膠材料及其制備方法、應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、igbt器件(絕緣柵雙極型晶體管)是由bjt(雙極型晶體三極管)和mosfet(金屬氧化物絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型-電壓驅(qū)動式-功率半導(dǎo)體器件。igbt器件作為電力電子裝置的“cpu”是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制、新能源汽車、新能源發(fā)電、變頻白電、軌道交通、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域形成igbt模塊，成為目前最具潛力的功率模塊化產(chǎn)品，igbt模塊通常是一個集成了多個igbt器件的單管、二極管、電容器等元件的模塊化設(shè)備。igbt模塊內(nèi)部元件需要獲得防潮、防塵、防振等保障，因此igbt模塊需要封裝。有機硅凝膠不僅具有優(yōu)異的耐候性、獨特的耐高低溫性能、良好的疏水性和電絕緣性，還具有內(nèi)應(yīng)力小、抗沖擊性好、粘附力強等優(yōu)點，是目前用于igbt模塊封裝的首選材料。

2、近年來，隨著電力設(shè)備向大功率發(fā)展，大功率igbt模塊隨之得到推廣應(yīng)用，大功率igbt模塊需要長期在＞200℃條件下使用，因此本領(lǐng)域?qū)Ψ庋b大功率igbt模塊的有機硅凝膠的耐溫性能提出了更高需求。

3、此外，當(dāng)igbt模塊應(yīng)用在采礦、造紙、橡膠硫化、石化加工、廢水等工業(yè)惡劣環(huán)境中時，不僅要面臨高低溫沖擊、水汽侵蝕等考驗，還面臨高濃度h2s氣體侵蝕的風(fēng)險。h2s氣體是對igbt模塊最具威脅的腐蝕性污染物，能夠滲透常規(guī)的有機硅凝膠進入igbt模塊內(nèi)部。當(dāng)igbt模塊在高溫、一定電壓下運行時，igbt模塊內(nèi)的陶瓷絕緣覆銅板(dcb)會與h2s發(fā)生反應(yīng)生成硫化銅(cu2s)晶體。這種導(dǎo)電結(jié)構(gòu)逐漸向內(nèi)蔓延，對igbt模塊內(nèi)部元件和線路造成傷害，最終引起短路導(dǎo)致igbt模塊失效，大大縮短功率半導(dǎo)體器件的壽命。因此，如何保障igbt模塊在上述工業(yè)惡劣環(huán)境中的使用壽命是該領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對igbt模塊耐高溫及防h2s氣體侵蝕的需求，提供了一種耐高溫且可用于防止h2s氣體侵蝕的igbt封裝用有機硅凝膠，并提供其制備方法。該材料以不同結(jié)構(gòu)的含硅乙烯基的聚二甲基硅氧烷、不同結(jié)構(gòu)的聚二甲基氫硅氧烷同功能填料等復(fù)配制備成雙組分igbt封裝用有機硅凝膠，它能滿足大功率igbt模塊在某些極端環(huán)境和氣候下(如存在h2s氣體、高濕度等環(huán)境)的防護問題，保證模塊的長期安全運行。

2、為達到本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供一種用于防h2s氣體侵蝕的大功率igbt模塊封裝用有機硅凝膠，其組成成分主要包括：

3、(a)兩端具有硅乙烯基結(jié)構(gòu)的聚硅氧烷(基礎(chǔ)油)；

4、(b)單端具有硅乙烯基結(jié)構(gòu)的聚硅氧烷(反應(yīng)型增塑劑)；

5、(c)兩端具有硅氫結(jié)構(gòu)的聚氫硅氧烷(擴鏈劑)；

6、(d)側(cè)鏈含硅氫結(jié)構(gòu)的聚氫硅氧烷(交聯(lián)劑)；

7、(e)功能填料；

8、(f)抗氧劑；

9、(g)催化劑；

10、(h)抑制劑。

11、所述用于防h2s氣體侵蝕的大功率igbt模塊封裝用有機硅凝膠為雙組份有機硅凝膠，包括m組分和n組分：

12、所述m組分(100％)中各成分的質(zhì)量百分比如下：

13、(a)10～40％

14、(b)10～30％

15、(c)5～40％

16、(d)0.3～20％

17、(e)20～60％

18、(f)0.1～2％

19、(h)0.05～0.2％；

20、所述n組分(100％)中各成分的質(zhì)量百分比如下：

21、(a)20～60％

22、(b)10～30％

23、(e)20～60％

24、(f)0.1～2％

25、(g)0.2～4％。

26、可選地，本發(fā)明提供的用于防h2s氣體侵蝕的大功率igbt模塊封裝用有機硅凝膠，為雙組份有機硅凝膠，包括m組分和n組分，以m組分100％質(zhì)量百分比計量，m組分的成分包括：

27、(a)兩端具有硅乙烯基結(jié)構(gòu)的聚硅氧烷10～30％；

28、(b)單端具有硅乙烯基結(jié)構(gòu)的聚硅氧烷15～20％；

29、(c)兩端具有硅氫結(jié)構(gòu)的聚氫硅氧烷15～30％；

30、(d)側(cè)鏈含硅氫結(jié)構(gòu)的聚氫硅氧烷0.3～2％；

31、(e)功能填料30～50％；

32、(f)抗氧劑0.1～2％；

33、(h)抑制劑0.05～0.2％；

34、以n組分100％質(zhì)量百分比計量，n組分的成分包括：

35、(a)兩端具有硅乙烯基結(jié)構(gòu)的聚硅氧烷30～50％；

36、(b)單端具有硅乙烯基結(jié)構(gòu)的聚硅氧烷15～20％；

37、(e)功能填料30～50％；

38、(f)抗氧劑0.1～2％；

39、(g)催化劑0.2～4％。

40、下面對用于防h2s氣體侵蝕的大功率igbt模塊封裝用有機硅凝膠中使用的各成分進行介紹：

41、成分(a)

42、成分(a)是兩端具有硅乙烯基結(jié)構(gòu)的聚硅氧烷，作為基礎(chǔ)油，其結(jié)構(gòu)如下所示：

43、

44、其中，r1可以為甲基、乙基、苯基、乙烯基中的一種或幾種，每個r1可以相同也可以不同，當(dāng)r1全部為甲基時，成分(a)是兩端具有硅乙烯基結(jié)構(gòu)的聚二甲基硅氧烷。a的數(shù)值越大，(a)的分子量越大。其中a為50～200的整數(shù)，使(a)在25℃下的粘度滿足50～5000mpa.s。如(a)的粘度太低，可揮發(fā)性物質(zhì)過多，容易出現(xiàn)揮發(fā)收縮影響產(chǎn)品的耐熱性。如(a)的粘度太高，產(chǎn)品偏稠，則可能出現(xiàn)缺陷影響封裝效果。同時成分(a)作為基礎(chǔ)油，其粘度也會明顯影響有機硅凝膠的m、n組分混合粘度。a優(yōu)選可滿足使成分(a)的乙烯基含量為0.1～2wt％。

45、兩端具有硅乙烯基結(jié)構(gòu)的聚二甲基硅氧烷的制備方法為本領(lǐng)域常規(guī)方法。采用二甲基硅氧烷混合環(huán)體以及1,3-二乙烯基-1,1,3,3-四甲基二硅氧烷等在堿性催化劑作用下平衡反應(yīng)所得。商業(yè)化的兩端具有硅乙烯基結(jié)構(gòu)的聚二甲基硅氧烷基礎(chǔ)油可采用安必亞特種有機硅(南通)有限公司生產(chǎn)的andisil?vs?50、andisil?vs100、andisil?vs?250、andisil?vs?500、andisil?vs1000、andisil?vs?5000等。

46、成分(b)

47、成分(b)是單端具有硅乙烯基結(jié)構(gòu)的聚硅氧烷，簡稱單端乙烯基硅油，是一種反應(yīng)型增塑劑，其結(jié)構(gòu)如下所示：

48、

49、其中r2為甲基、乙基、苯基中的一種或幾種，每個r2可以相同也可以不同，當(dāng)r2全為甲基時，成分(b)是單端具有硅乙烯基結(jié)構(gòu)的聚二甲基硅氧烷。成分(b)在25℃下的粘度為100～1000mpa.s，乙烯基含量為0.05～0.24wt％。

50、為保證有機硅凝膠材料的柔軟性及減震功能，滿足igbt封裝需求，有機硅凝膠體系中乙烯基與硅氫基團的比例大于1，而殘余的乙烯基在高溫條件下可與氧氣發(fā)生氧化交聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致硅凝膠高溫老化硬化。成分(b)可調(diào)整有機硅凝膠體系的交聯(lián)程度，在保證有機硅凝膠柔軟性及減震功能的同時減少體系中殘余的乙烯基含量，提高有機硅凝膠材料的耐熱性。單端乙烯基硅油為反應(yīng)型增塑劑，其單官能反應(yīng)基團不增加體系的交聯(lián)度，起到增塑、降低硬度的作用，同時單端乙烯基硅油反應(yīng)后也不會析出。

51、單端具有硅乙烯基結(jié)構(gòu)的聚二甲基硅氧烷可以參照發(fā)明專利cn?111234230b所述的方法制備。采用二甲基硅氧烷環(huán)體以及二甲基硅油和1,3-二乙烯基四甲基二硅氧烷等按照比例在四甲基氫氧化銨催化劑與納米改性劑的作用下平衡反應(yīng)所得。商業(yè)化的單端具有硅乙烯基結(jié)構(gòu)的聚二甲基硅氧烷可以采用武漢那拉白醫(yī)藥化工有限公司生產(chǎn)的v15e、v300e、v500e等。

52、成分(c)

53、成分(c)是兩端具有硅氫結(jié)構(gòu)的聚氫硅氧烷，作為擴鏈劑，它在25℃下的粘度為10～100mm2/s，含氫量在0.02～0.15wt％之間，俗稱端含氫硅油。其結(jié)構(gòu)如下所示：

54、

55、其中r3為甲基、乙基、苯基的一種或幾種，每個r3可以相同也可以不相同，當(dāng)r3全為甲基時，成分(c)是兩端具有硅氫結(jié)構(gòu)的聚二甲基氫硅氧烷。兩端具有硅氫結(jié)構(gòu)的聚二甲基氫硅氧烷的制備方法為行業(yè)所熟知的，采用四甲基二氫二硅氧烷和二甲基硅氧烷環(huán)體在酸性催化劑如陽離子樹脂等作用下經(jīng)平衡反應(yīng)所得。商業(yè)化的兩端具有硅氫結(jié)構(gòu)的聚二甲基氫硅氧烷可采用江蘇科幸新材料有限公司的d-15、d-30、d-50、d-100等。

56、成分(d)

57、成分(d)是側(cè)鏈含硅氫結(jié)構(gòu)的聚氫硅氧烷，作為交聯(lián)劑，它是側(cè)氫均勻分布的含氫聚硅氧烷。其結(jié)構(gòu)如下所示：

58、

59、其中r4為氫、甲基、乙基、苯基的一種或幾種，每個r4可以相同也可以不相同，當(dāng)r4全為甲基時，成分(d)是側(cè)鏈含硅氫結(jié)構(gòu)的聚二甲基氫硅氧烷。d+e為30～60的正整數(shù)，滿足成分(d)在25℃下的粘度為20～100mm2/s，e為2～50的正整數(shù)，優(yōu)先滿足含氫量為0.2～1.6wt％。側(cè)鏈含硅氫結(jié)構(gòu)的聚二甲基氫硅氧烷的合成方法為：高含氫硅油和二甲基硅氧烷環(huán)體在酸性催化劑如陽離子樹脂作用下平衡反應(yīng)所得。商業(yè)化的側(cè)鏈含硅氫結(jié)構(gòu)的聚二甲基氫硅氧烷可采用江蘇科幸新材料有限公司的sh-18、sh-25、sh-36、sh-50、sh-75等。

60、成分(e)

61、成分(e)是功能填料，功能填料選自堿性金屬/非金屬氧化物、金屬粉末等，更具體地說，功能填料可選自氣相法白炭黑、氧化鋁、氧化鎂、氧化錳、氧化銅、氧化鈣和三氧化二鐵、鐵粉、銅粉中的一種或多種。功能填料的密度在0.5至9g/cm3之間。當(dāng)功能填料為氣相法白炭黑時，優(yōu)選其比表面積為100～400m2/g，當(dāng)功能填料為上述可選的其余功能填料時，優(yōu)選其中位粒徑為1～20μm。如功能填料的粒徑過小，可能導(dǎo)致膠液粘度偏大，有機硅凝膠膠液在igbt模塊內(nèi)部細(xì)小縫隙填充不充分，不利于封裝工藝應(yīng)用；如功能填料的粒徑過大，則有發(fā)生沉降的風(fēng)險，影響有機硅凝膠的絕緣性能及阻隔性能。功能填料可以是兩種或多種不同粒徑的填料顆粒復(fù)配，任何功能填料的形貌可以為球狀、片狀、針狀以及其他的無定型狀態(tài)，然而從增加填充量的角度考慮，優(yōu)先選用球狀粉體作為功能填料。加入功能填料，賦予有機硅凝膠阻隔h2s氣體的能力。

62、成分(f)

63、成分(f)是抗氧劑，可為受阻酚類化合物或者雙酯類化合物；受阻酚類化合物選自2,6-二叔丁基對甲酚、雙(3,5-三級丁基-4-羥基苯基)硫醚、四(β-(3,5-三級丁基-4-羥基苯基)丙酸)季戊四醇酯中的任意一種或多種；雙酯類化合物選自硫代二丙酸雙酯、雙十二碳醇酯、雙十八碳醇酯中的任意一種或多種。

64、成分(f)主要用于延緩或抑制有機硅凝膠氧化過程的進行，使有機硅凝膠具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，從而阻止有機硅凝膠在高溫環(huán)境下老化，使得有機硅凝膠可在220℃長期穩(wěn)定工作，延長了有機硅凝膠的使用壽命。

65、成分(g)

66、成分(g)為氯鉑酸與一元醇、烯烴或炔烴等的配合物、鉑-乙烯基聚硅氧烷的配合物或乙酰乙酸鉑中的任意一種或者多種，作為催化劑，用于催化硅氫加成反應(yīng)進行。商業(yè)化的催化劑可選上海賀利氏工業(yè)技術(shù)材料有限公司的pt-5000或貴研鉑業(yè)股份有限公司pt-5000，這兩種催化劑中pt的含量為5000ppm。

67、成分(h)

68、成分(h)為抑制劑，用于控制m組分、n組分混合時的硅氫反應(yīng)速度。典型的抑制劑有炔醇類抑制劑、多乙烯基類抑制劑及偶氮類化合物；炔醇類抑制劑包括甲基丁炔醇、甲基戊炔醇、乙炔基環(huán)己醇、苯基丁炔醇等，多乙烯基類抑制劑包括甲基乙烯基環(huán)四硅氧烷、四甲基四乙烯基環(huán)四硅氧烷等，偶氮類化合物包括n,n-二烯丙基甲酰胺、n,n-二烯丙基苯甲酰胺等，成分(h)可選擇其中的任意一種或者多種。成分(h)優(yōu)選多乙烯基類抑制劑中的任意一種或者多種。

69、本發(fā)明還提供所述用于防硫化氫氣體侵蝕的大功率igbt封裝用有機硅凝膠的制備方法，包括如下步驟：

70、(1)制備m組分

71、按照m組分的配比，將成分(a)、(b)、(e)、(f)加入捏合機中，加熱至40～80℃，在真空度≤-0.08mpa下真空捏合1～4h進行粉油混合；繼續(xù)加熱至100～140℃，在真空度≤-0.08mpa下真空干燥處理2～6h得到m組分基礎(chǔ)膠料；

72、將m組分基礎(chǔ)膠料加入行星攪拌釜中，依次加入成分(h)、(c)、(d)在20～40hz攪拌速度下攪拌分散1～3h后，將攪拌速度調(diào)整至5～10hz，在真空度≤-0.08mpa下真空排泡0.5～2h后得到m組分；

73、(2)制備n組分

74、按照n組分的配比，將成分(a)、(b)、(e)、(f)加入捏合機中，加熱至40～80℃，在真空度≤-0.08mpa下真空捏合1～4h進行粉油混合；繼續(xù)加熱至100～140℃，在真空度≤-0.08mpa下真空干燥處理2～6h得到n組分基礎(chǔ)膠料；

75、將n組分基礎(chǔ)膠料加入行星攪拌釜中，加入成分(g)在20～40hz攪拌速度下攪拌分散1～3h后，將攪拌速度調(diào)整至5～10hz，在真空度≤-0.08mpa下真空排泡0.5～2h后得到n組分。

76、本發(fā)明還提供所述用于防硫化氫氣體侵蝕的大功率igbt封裝用有機硅凝膠的應(yīng)用，即將m組分和n組分按照質(zhì)量比1:1混合均勻后用于封裝。

77、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少取得了以下有益效果：

78、(1)本發(fā)明制備的有機硅凝膠可用于惡劣環(huán)境使用的igbt模塊的封裝，能有效隔絕外部h2s等酸性氣體對igbt模塊內(nèi)部元件、線路的影響，提高模塊的穩(wěn)定性；

79、(2)本發(fā)明制備的有機硅凝膠的m、n組分混合粘度為3000～4500mpa.s，粘度適中，可以對igbt模塊的細(xì)小縫隙進行很好的填充密封，滿足現(xiàn)有封裝工藝；

80、(3)本發(fā)明制備的有機硅凝膠滿足封裝材料要求的柔軟性及減震功能，同時有機硅凝膠體系中殘余的乙烯基含量少，從而使得有機硅凝膠具有更好的耐熱性，表現(xiàn)為高溫老化、低溫老化、高溫高濕老化、高低溫沖擊后有機硅凝膠彈性體的錐入度變化率低，且有機硅凝膠彈性體內(nèi)部無氣泡和裂紋；220℃×1000h高溫老化證實有機硅凝膠熱穩(wěn)定性優(yōu)異，可在220℃長期穩(wěn)定工作，因此保障igbt模塊在大功率嚴(yán)苛環(huán)境中的正常運行；

81、(4)有機硅凝膠固化后還具有優(yōu)異的絕緣性，滿足電力電子裝置對igbt的封裝要求。