- 頭條天大等單位學者研制出用于功率器件的新型硅凝膠基復合電介質材料2022-06-13 作者：李俊杰、梅云輝 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語封裝絕緣材料是電力電子器件中最主要的絕緣組件，它的特性決定了高電壓功率器件的適用性。天津大學、天津工業大學等單位的研究人員李俊杰、梅云輝 等，在2022年第3期《電工技術學報》上撰文，出了一種添加納米級顆粒碳化硅的硅凝膠復合電介質材料，該新型硅凝膠基復合電介質材料具有顯著的非線性電導特性。
人們希望功率器件可以應用在高溫、高壓、高開關頻率等要求的場合以提升電能轉換效率。目前，更高電壓等級的SiC功率芯片如15kV IGBT、13kV PiN、15kV MOSFET等已得到開發，但尚未得到實際封裝應用。這主要是由于目前的半導體封裝技術無法實現更高電壓等級器件的封裝。
如果沿用硅基器件的封裝方案，在高阻斷電壓工況下，封裝絕緣材料內部會承受較高的電應力，導致局部放電，加速絕緣材料老化，甚至導致絕緣擊穿，給電力系統長期安全運行帶來極大威脅。因此改善功率模塊內部電場分布的均勻程度，提升局部放電起始電壓（Partial Discharge Inception Voltage, PDIV）對功率器件性能提升及電力系統長期運行可靠性具有重要意義。
均化功率器件內部電場分布的方法主要有兩種：一種方法是幾何，通過改善幾何結構，優化基板結構和尺寸等改善電場分布；第二種方法是采用電場調制的絕緣材料來均勻化電場分布。
關于電場調制的絕緣材料的研究已廣泛開展于電纜端子、絕緣體、定子線圈等方面，但在功率電力電子器件中研究較少。L. Donzel等在聚酰亞胺中摻雜氧化鋅，制備了非線性電導均壓材料，并通過數值模擬驗證了其對于功率模塊內部電場分布的均化效果；N. Wang等在硅凝膠中添加鈦酸鋇制備了非線性介電材料，并應用于模塊封裝，實現了提升局部放電起始電壓的效果。但目前關于非線性電導均壓材料應用于功率模塊封裝的實驗研究尚不多。
天津大學、天津工業大學等單位的研究人員制備了不同摻雜量的納米SiC/硅凝膠復合電介質，并通過實驗研究了納米填料的摻雜量及溫度對于復合電介質直流電導特性的影響。同時以復合電介質為封裝絕緣材料制備功率模塊，進行局部放電實驗，結合三維電場分布模擬，研究了其對于局部放電的優化效果。最后進行了熱氧老化實驗及溫度循環實驗，初步探索了復合電介質的可靠性。
圖1 局部放電測試方法原理圖
圖2 三維電場分布模擬
科研人員發現，該復合電介質的電導率呈現明顯的非線性變化規律，同時其電導率隨溫度的升高而下降，與溫度呈顯著負相關。通過數值模擬結合實驗研究，驗證了在SiC摻雜量為60%時，可顯著提升所封裝功率模塊的PDIV值超過42.03%。同時，經熱氧老化實驗及溫度循環實驗初步驗證，納米SiC/硅凝膠復合電介質對于功率模塊長期絕緣穩定性及工作可靠性不低于商用硅凝膠材料。因此，該方法有益于推動更高電壓等級功率芯片的模塊化可靠封裝。
本文編自2022年第3期《電工技術學報》，論文標題為“功率器件高電壓封裝用復合電介質灌封材料研究”，作者為李俊杰、梅云輝 等。
