功率器件高電壓封裝用復(fù)合電介質(zhì)灌封材料研究

李俊杰 梅云輝 梁 玉 唐新靈 陸國權(quán)

功率器件高電壓封裝用復(fù)合電介質(zhì)灌封材料研究

李俊杰1梅云輝2梁 玉1唐新靈3陸國權(quán)4

（1. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 天津 300350 2. 天津工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 天津 300387 3. 先進輸電技術(shù)國家重點實驗室（全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司） 北京 102209 4. 美國弗吉尼亞理工大學(xué)電氣與計算機工程系 黑堡 弗吉尼亞州 24061）

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。該文提出了一種添加納米級顆粒碳化硅的硅凝膠復(fù)合電介質(zhì)材料，該新型硅凝膠基復(fù)合電介質(zhì)材料具有顯著的非線性電導(dǎo)特性，文中首先研究了其中碳化硅填充顆粒的摻雜比例和服役工作溫度對其直流電導(dǎo)特性的影響規(guī)律。隨后，采用制備的新型硅凝膠基復(fù)合電介質(zhì)研制了耐高電壓的封裝功率模塊并進行了局部放電測試實驗。實驗結(jié)果確認了提出的新型復(fù)合電介質(zhì)對于功率模塊封裝的絕緣耐受電壓具有明顯改善效果。60%碳化硅顆粒填充比例下，該復(fù)合電介質(zhì)可顯著降低功率模塊內(nèi)部電場強度。其中，模塊局部放電起始電壓可提升42.03%。最后，本文還驗證了該新型復(fù)合電介質(zhì)材料的熱氧老化抗性及抗溫度沖擊可靠性。

高電壓絕緣 局部放電 功率模塊 非線性電導(dǎo) 碳化硅封裝

0 引言

人們希望功率器件可以應(yīng)用在高溫、高壓、高開關(guān)頻率等[1]要求的場合以提升電能轉(zhuǎn)換效率[2]。目前，更高電壓等級的SiC功率芯片如15kV IGBT、13kV PiN、15kV MOSFET[3]等已得到開發(fā)，但尚未得到實際封裝應(yīng)用。這主要是由于目前的半導(dǎo)體封裝技術(shù)無法實現(xiàn)更高電壓等級器件的封裝[4]。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(nèi)部會承受較高的電應(yīng)力，導(dǎo)致局部放電[5-6]，加速絕緣材料老化，甚至導(dǎo)致絕緣擊穿，給電力系統(tǒng)長期安全運行帶來極大威脅[7]。因此改善功率模塊內(nèi)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(tǒng)長期運行可靠性具有重要意義。

均化功率器件內(nèi)部電場分布的方法主要有兩種：一種方法是幾何[8-10]，通過改善幾何結(jié)構(gòu)，優(yōu)化基板結(jié)構(gòu)和尺寸等改善電場分布；第二種方法是采用電場調(diào)制的絕緣材料來均勻化電場分布[11]。

關(guān)于電場調(diào)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[12]在聚酰亞胺中摻雜氧化鋅，制備了非線性電導(dǎo)均壓材料，并通過數(shù)值模擬驗證了其對于功率模塊內(nèi)部電場分布的均化效果；N. Wang等[13]在硅凝膠中添加鈦酸鋇制備了非線性介電材料，并應(yīng)用于模塊封裝，實現(xiàn)了提升局部放電起始電壓的效果。但目前關(guān)于非線性電導(dǎo)均壓材料應(yīng)用于功率模塊封裝的實驗研究尚不多。

本文制備了不同摻雜量的納米SiC/硅凝膠復(fù)合電介質(zhì)，并通過實驗研究了納米填料的摻雜量及溫度對于復(fù)合電介質(zhì)直流電導(dǎo)特性的影響。同時以復(fù)合電介質(zhì)為封裝絕緣材料制備功率模塊，進行局部放電實驗，結(jié)合三維電場分布模擬，研究了其對于局部放電的優(yōu)化效果。最后進行了熱氧老化實驗及溫度循環(huán)實驗，初步探索了復(fù)合電介質(zhì)的可靠性。

1 試樣制備與實驗方法

1.1 硅凝膠基非線性復(fù)合電介質(zhì)制備

本文采用道康寧公司生產(chǎn)的DC527雙組份加成型有機硅凝膠[14]作為基體材料，采用北京德科島金科技有限公司生產(chǎn)的納米SiC顆粒作為非線性填料（粒徑40nm，純度99.99%）。采用物理混合法制備納米SiC/硅凝膠復(fù)合電介質(zhì)。先將納米SiC顆粒在100℃下干燥12h以去除顆粒內(nèi)部吸潮增加的水分。將干燥后的納米SiC顆粒與KH-550、無水乙醇混合，超聲分散20min以實現(xiàn)納米顆粒表面改性。待乙醇揮發(fā)完畢后，將納米顆粒與有機硅凝膠A、B組分按體積比混合，放入行星式攪拌機在2 000r/min的轉(zhuǎn)速下高速混合30min，混合結(jié)束的復(fù)合材料放入真空箱真空去泡30min。

1.2 粘度測試方法

作為功率模塊封裝絕緣材料，首先應(yīng)具備優(yōu)異的流動性以實現(xiàn)功率模塊灌封。納米SiC顆粒的加入會使得納米SiC/硅凝膠復(fù)合電介質(zhì)流動性下降，因此有必要對復(fù)合電介質(zhì)的粘度參數(shù)進行表征。本文采用NDJ-79旋轉(zhuǎn)粘度計測試復(fù)合電介質(zhì)的粘度參數(shù)。

1.3　電導(dǎo)率測試方法

本文將復(fù)合電介質(zhì)固化在絕緣油杯中進行電導(dǎo)率測試，測試回路如圖1a所示。圖中高壓源可提供最高30kV直流高壓，采用Keithley 6485皮安表（20fA～20mA）進行電流測試，為避免測試過程中試樣邊緣位置的放電脈沖損壞儀表，在皮安表兩側(cè)并聯(lián)了穩(wěn)壓二極管[15]。測量時，以鼓風(fēng)干燥箱為屏蔽箱，固定絕緣油杯電極間距為0.5mm，緩慢升高電壓且每隔20min測量并記錄一次電壓電流數(shù)據(jù)，以保證達到穩(wěn)定的傳導(dǎo)電流[16]。

圖1 局部放電測試方法原理圖

1.4　局部放電測試方法

1.5　熱氧老化實驗

本文根據(jù)IEC 60216—1—2001分別對采用純硅凝與納米SiC/硅凝膠復(fù)合電介質(zhì)封裝的功率模塊進行熱氧老化實驗[18]（150℃）。通過記錄老化前后模塊的PDIV，驗證該復(fù)合電介質(zhì)的絕緣可靠性。

根據(jù)阿列紐斯方程，其熱老化壽命等效換算公式為

式中，TimeT1為加速老化時間；TimeRT為等效工作溫度時間壽命；1為加速老化溫度；為等效工作溫度；10為反應(yīng)速率系數(shù)（一般取2）。例如，老化48h的等效時間壽命可表示為

1.6　溫度循環(huán)實驗

本文根據(jù)JESD 22—A104c分別對采用純硅凝與納米SiC/硅凝膠復(fù)合電介質(zhì)封裝的功率模塊進行溫度循環(huán)實驗（-40～125oC），實驗過程中，每200圈測試一下模塊的PDIV。

2 實驗結(jié)果

2.1　納米SiC摻雜量對粘度的影響

圖2為室溫下納米SiC/硅凝膠復(fù)合電介質(zhì)的粘度隨納米SiC摻雜量的變化規(guī)律。其中摻雜量是指每100份體積的復(fù)合電介質(zhì)中納米SiC所占的份數(shù)。純硅凝膠的粘度為0.5mPa·s，添加納米SiC之后，復(fù)合電介質(zhì)的粘度增大，且摻雜量越多，粘度增幅越大，呈指數(shù)規(guī)律增加。摻雜量為60%的納米SiC/硅凝膠的粘度增加為1.35mPa·s，盡管粘度已經(jīng)增加為純硅凝膠材料粘度的2.7倍，但復(fù)合材料仍具備封裝過程中填充功率模塊內(nèi)部的流動能力。此外，當納米SiC摻雜量體積分數(shù)為70%時，旋轉(zhuǎn)粘度計轉(zhuǎn)子已無法浸入復(fù)合電介質(zhì)內(nèi)，這說明摻雜70%納米SiC的復(fù)合電介質(zhì)已喪失流動性，無法滿足使用需求。因此，體積分數(shù)為60%的SiC摻雜量是此粒徑條件下的摻雜上限。

圖2 粘度隨納米SiC摻雜量的變化

2.2　納米SiC/硅凝膠復(fù)合電介質(zhì)電導(dǎo)特性

2.2.1納米SiC摻雜量對電導(dǎo)特性的影響

電導(dǎo)率隨納米SiC摻雜量的變化如圖3所示，純硅凝膠的電導(dǎo)率在整個電場范圍內(nèi)緩慢增加，這主要是由于空間電荷限制電流（Space Charge Limited Current, SCLC）[19]引起的，載流子獲得的能量不足以越過陷阱勢壘，導(dǎo)致載流子被捕獲，并以空間電荷的形式積累，限制了電導(dǎo)率的增加速度。

圖3 電導(dǎo)率隨納米SiC摻雜量的變化

當電場強度達到閾值（電導(dǎo)率發(fā)生急劇變化、表現(xiàn)非線性的電場強度）后，納米SiC/硅凝膠復(fù)合電介質(zhì)電導(dǎo)率快速上升[20]，呈現(xiàn)非線性，且納米SiC摻雜量越高，閾值場強越小。這表明納米SiC的加入可以在導(dǎo)帶內(nèi)提供更多的載流子，當電場接近閾值時，導(dǎo)帶載流子數(shù)量急劇增加，因此電導(dǎo)率得以快速上升。同時隨著SiC摻雜量的增加，相鄰SiC顆粒之間的距離減小，在高電場下，更易形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，因此，復(fù)合電介質(zhì)電導(dǎo)率非線性度增大。

2.2.2溫度對復(fù)合電介質(zhì)電導(dǎo)特性的影響

在功率器件內(nèi)部由于芯片自身工作損耗發(fā)熱會導(dǎo)致結(jié)溫上升，因此有必要研究納米SiC/硅凝膠復(fù)合電介質(zhì)的非線性電導(dǎo)特性隨溫度的變化規(guī)律。本文對不同電介質(zhì)在30℃、60℃、90℃溫度下的電導(dǎo)率進行了研究，得到不同比例SiC/硅凝膠的電導(dǎo)率隨溫度變化如圖4所示。

圖4 電導(dǎo)率隨溫度的變化

從圖4a可以看出，純硅凝膠電導(dǎo)率在30℃下最小，在90℃下最大，即純硅凝膠的電導(dǎo)率與溫度呈正相關(guān)。這是由于純硅凝膠中載流子數(shù)量較少，且多處于禁帶中，隨著溫度的升高，高溫為載流子跳入導(dǎo)帶提供了能量，因此隨溫度升高，在整個電場范圍內(nèi)電導(dǎo)率得以增大。

圖4b和圖4c為不同摻雜量的納米SiC/硅凝膠復(fù)合電介質(zhì)的電導(dǎo)率隨溫度的變化規(guī)律。從圖中可以看出，復(fù)合電介質(zhì)的電導(dǎo)率隨溫度升高而減小，與溫度呈負相關(guān)。這被認為是由于硅凝膠和SiC導(dǎo)電機制不同導(dǎo)致的。SiC作為半導(dǎo)體材料，價帶與導(dǎo)帶間能隙較窄，電場強度較大時，大部分載流子易于被激發(fā)到導(dǎo)帶上，因此電場對于載流子的激發(fā)作用要遠高于溫度的激發(fā)作用。同時，溫度的升高也會引起晶格振動，導(dǎo)致電流中的電子被散射[15]，使得電導(dǎo)率降低。

2.3　納米SiC摻雜量對模塊局部放電特性的影響

圖5所示為采用不同電介質(zhì)材料封裝的功率模塊的PDIV。在50Hz交流電載荷下，純硅凝膠封裝的功率模塊在方均根值（Root Mean Square, RMS）6.9kV下開始發(fā)生局部放電。相比于純硅凝膠封裝的模塊，隨SiC摻雜量的增加，復(fù)合電介質(zhì)封裝的功率模塊的PDIV逐漸增大。摻雜量為60%的納米SiC/硅凝膠復(fù)合電介質(zhì)封裝的功率模塊的PDIV（方均根值）達到了9.8kV（峰值電壓達到13.86kV），實現(xiàn)了42.03%的提升。這證明了摻雜納米SiC的復(fù)合電介質(zhì)可以有效降低模塊發(fā)生局部放電風(fēng)險。

圖5 局部放電起始電壓隨填充顆粒量的變化

2.4　熱氧老化對模塊局部放電特性的影響

局部放電起始電壓隨熱氧老化時間的變化如圖6所示。由圖6可知，隨著熱氧老化時間的增加，功率模塊PDIV先增大后減小，純硅凝膠封裝的功率模塊PDIV在老化96h后，RMS緩慢增加至8.4kV。而在熱氧老化480h后，其PDIV逐漸降低至3.8kV。這主要是由于熱氧老化初期，高溫促使硅凝膠的交聯(lián)密度提升[21]，深陷阱密度及能級增大，淺陷阱電荷密度減小，使得對電荷的束縛能力增強，電荷遷移率減小，緩慢地提高了PDIV。但隨著熱氧老化時間增加，在高溫的持續(xù)作用下，硅凝膠發(fā)生主鏈斷裂，交聯(lián)結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，交聯(lián)密度減小，對電荷束縛能力顯著減弱，電荷遷移率增大，從而更易形成放電通路[21]，使得PDIV大幅下降，下降幅度達44.93%。

圖6 局部放電起始電壓隨熱氧老化時間的變化

采用納米SiC/硅凝膠復(fù)合電介質(zhì)封裝的功率模塊在整個熱氧老化實驗過程中PDIV變化與純硅凝膠封裝的功率模塊的趨勢相同。在老化144h后，其PDIV的RMS達到最高值10.5kV，最終480h老化后，PDIV降低至6.3 kV。值得關(guān)注的是，在整個熱氧老化過程中，納米SiC/硅凝膠復(fù)合電介質(zhì)封裝的功率模塊的PDIV始終高于采用純硅凝膠封裝的功率模塊。這有益于推動更高電壓等級功率芯片的模塊化可靠封裝。

2.5　溫度循環(huán)對模塊局部放電特性的影響

PDIV隨溫度循環(huán)圈數(shù)的變化如圖7所示。由圖7可知，功率模塊PDIV隨溫度循環(huán)圈數(shù)的增加而逐漸下降，經(jīng)歷400圈循環(huán)后，采用納米SiC/硅凝膠復(fù)合電介質(zhì)封裝的功率模塊的PDIV由9.8kV下降到9.5kV，采用純硅凝膠封裝的功率模塊PDIV由6.9kV下降到了6.5kV。這主要是由于氧化交聯(lián)結(jié)構(gòu)的形成，使得封裝介質(zhì)變硬變脆，內(nèi)部更容易產(chǎn)生微裂紋，導(dǎo)致絕緣性能退化。值得注意的是，采用納米SiC/硅凝膠復(fù)合電介質(zhì)封裝的功率模塊的PDIV始終高于純硅凝膠封裝的模塊。

圖7 PDIV隨溫度循環(huán)圈數(shù)的變化

3 電場強度均勻化仿真驗證

本文根據(jù)測得的兩種材料在不同電場強度下的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)進行擬合，利用COMSOL Multiphysics仿真軟件進行三維電場分布模擬，分析功率模塊內(nèi)部電場分布，驗證納米SiC/硅凝膠復(fù)合電介質(zhì)對于功率模塊內(nèi)部電場分布的優(yōu)化效果。

采用交流瞬態(tài)求解器，DBC基板上銅金屬化層設(shè)置交流激勵電壓有效值為10kV，下銅金屬化層設(shè)置接地，得到兩種模型電場強度分布如圖8所示?？梢钥闯?，峰值電場強度出現(xiàn)在上銅金屬化層三結(jié)合點（即銅層、陶瓷層及硅凝膠的交界位置），這也與相關(guān)研究結(jié)果相一致[12-13]，且與純硅凝膠相比，納米SiC/硅凝膠復(fù)合電介質(zhì)可顯著改善功率模塊內(nèi)部的電場分布，峰值電場強度由70.26kV/mm下降到49.06kV/mm，降低了43.20%，且整個模塊內(nèi)部電場分布得到了顯著改善，這與局部放電實驗結(jié)果相一致，驗證了納米SiC/硅凝膠復(fù)合電介質(zhì)對于功率模塊內(nèi)部電場分布的優(yōu)化效果。

圖8 三維電場分布模擬

4 結(jié)論

本文制備了一種具有足夠流動性的納米SiC/硅凝膠復(fù)合電介質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合電介質(zhì)的電導(dǎo)率呈現(xiàn)明顯的非線性變化規(guī)律，同時其電導(dǎo)率隨溫度的升高而下降，與溫度呈顯著負相關(guān)。通過數(shù)值模擬結(jié)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(jīng)熱氧老化實驗及溫度循環(huán)實驗初步驗證，納米SiC/硅凝膠復(fù)合電介質(zhì)對于功率模塊長期絕緣穩(wěn)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。

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Study on Composite Dielectric Encapsulation Materials for High Voltage Power Device Packaging

Li Junjie1Mei Yunhui2Liang Yu1Tang Xinling3Lu Guoquan4

（1. School of Materials Science and Engineering Tianjin University Tianjin 300350 China 2. School of Electrical Engineering Tiangong University Tianjin 300387 China 3. State Key Laboratory of Advanced Power Transmission Technology Global Energy Interconnection Research Institute Co. Ltd Beijing 102209 China 4. Bradley Department of Electrical and Computer Engineering Virginia Tech University AV Blacksburj 24061 USA）

The packaging insulation material is the most important part in power electronic devices, because it limits the applicability of the power devices in the trend of high voltage. In this paper, silicone gel composites with nonlinear electrical conductivity were prepared by doping silicon carbide nanoparticles with the silicone gel. The effects of the filler content and operating temperature on the DC conductance of the composites were discussed experimentally. Power modules were demonstrated using the composites for further partial discharge (PD) testing. The PD initial voltage of the power modules were improved in the proposed way. The results showed that the electric field distribution can be significantly homogenized by the composite with the 60vol% filler in the power module. The partial discharge initial voltage can be increased by 42.03%. Thermal oxygen aging testing and thermal shock testing were also carried out to verify the long-term reliability of the insulation composites.

High-voltage insulation, partial discharge, power module, conductivity nonlinearity, SiC device packaging

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210049

TM215.92

天津市科技局（20JCYBJC00970）和國家自然科學(xué)基金（51922075, U1966212）資助項目。

2021-01-12

2021-03-26

李俊杰 男，1996年生，碩士，研究方向為電力電子封裝與材料。E-mail：junjieli@tju.edu.cn

梅云輝 男，1985年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力電子封裝與材料。E-mail：meiyunhui@163.com（通信作者）

（編輯 郭麗軍）