電壓穩(wěn)定劑接枝提升復(fù)合灌封材料的導(dǎo)熱絕緣性能

導(dǎo)熱、絕緣性能更好的灌封材料能減輕模塊的絕緣和散熱壓力，從而使模塊在可靠性方面獲得更大優(yōu)勢。絕緣材料缺乏能夠成為聲子的自由電子，常用的絕緣灌封料熱導(dǎo)率極低。構(gòu)建復(fù)合材料能夠改善環(huán)氧的熱傳導(dǎo)，但也將導(dǎo)致復(fù)合材料的絕緣強(qiáng)度衰退。

絕緣擊穿主要由電子碰撞引發(fā)，而填料與基體間的界面熱阻是傳熱的主要障礙之一。重慶大學(xué)姚陳果教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種灌封料改性新方法，利用低溫等離子體將苯乙酮電壓穩(wěn)定劑接枝到六方氮化硼（hBN）上，接枝界面能夠消耗高能自由電子，且有助于降低熱阻。因此，改性hBN 構(gòu)建的環(huán)氧復(fù)合材料具有高絕緣強(qiáng)度和良好的熱導(dǎo)率。電壓穩(wěn)定劑接枝裝置如圖1所示，低溫等離子體由沿面介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生，在等離子體的輔助下，苯乙酮被接枝到hBN 上。紅外光譜和光電子能譜證實(shí)了接枝的有效性，熱重測試結(jié)果表明苯乙酮接枝率約為2.2%。

圖1 電壓穩(wěn)定劑接枝裝置

高電場帶來的自由電子沖擊絕緣灌封材料，最終引發(fā)擊穿，但接枝的苯環(huán)能夠捕獲高能電子，轉(zhuǎn)化為激發(fā)態(tài)苯乙酮，從而抑制高能電子對聚合物分子鏈的沖擊。隨后，激發(fā)態(tài)苯乙酮衰減，同時(shí)通過光子釋放剩余能量，消耗高能電子的過程如圖2 所示。因此，復(fù)合材料的絕緣強(qiáng)度比純環(huán)氧灌封料增加了約27.4%，不同接枝處理時(shí)間制成的復(fù)合灌封料的電絕緣強(qiáng)度如圖3 所示。導(dǎo)熱性能方面，從聲子態(tài)密度（PDOS）譜圖可以看到，未改性hBN 與環(huán)氧樹脂的PDOS 曲線重疊度較差，如圖4（a）所示。重疊越差表示界面聲子失配度越高，因而導(dǎo)致了高界面熱阻。而苯乙酮接枝hBN與環(huán)氧樹脂的PDOS 重疊部分明顯增加，如圖4（b）所示，說明界面?zhèn)鳠岜桓纳?，熱阻降低。因此，與純環(huán)氧相比，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率提高了約142.9%，如圖5 所示。

圖2 消耗高能電子的過程

圖3 復(fù)合灌封料的電絕緣強(qiáng)度

圖4 苯乙酮接枝前后聲子態(tài)密度重疊程度

圖5 復(fù)合灌封料的熱導(dǎo)率

研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)聚焦超低寄生參數(shù)封裝設(shè)計(jì)、陡前沿強(qiáng)流觸發(fā)拓?fù)錁?gòu)建和導(dǎo)熱絕緣新材料的研發(fā)，支持電力系統(tǒng)和脈沖功率領(lǐng)域所需的功率模塊向更高電壓等級和功率密度發(fā)展。