- 頭條功率器件溫度高帶來硅凝膠氣泡問題，華電學者改進硅凝膠制備工藝2021-05-14 作者：頊佳宇 李學寶 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語有機硅凝膠憑借其優異的電絕緣和機械性能，廣泛應用于IGBT器件的封裝絕緣。新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學）、弗吉尼亞理工大學電氣與計算機工程系的研究人員頊佳宇、李學寶、崔翔、毛塬、趙志斌，在2021年第2期《電工技術學報》上撰文，詳細介紹有機硅凝膠的制備工藝，改進了脫氣曲線，解決傳統工藝制備的樣品在高溫下出現氣泡的問題。此外，考慮到IGBT器件在運行過程中產生大量的熱量，熱量作為副產物影響絕緣材料的性能，該文使用改進的脫氣曲線制備了有機硅凝膠樣品，通過實驗得出不同溫度下樣品擊穿電壓的韋伯分布，獲得溫度對有機硅凝膠工頻電擊穿的影響規律并分析影響機制。該研究將為硅凝膠在高壓IGBT功率器件的封裝設計中提供重要的實用信息。
近十年來，絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）從芯片設計、工藝、測試到器件封裝技術等方面均取得了重大進步。在器件封裝方面，有機硅凝膠材料因其具有優良的耐溫、防水和電氣絕緣性能等，成為電子器件必不可少的封裝絕緣材料。目前，硅基IGBT模塊灌封用的有機硅凝膠是一種雙組份加成型室溫或加溫硫化有機硅凝膠。
圖1 典型的IGBT模塊封裝剖面示意圖
材料的制備工藝將決定材料的性能，使用性能優良的材料封裝大功率半導體模塊，有助于提升模塊的質量和可靠性。隨著半導體材料技術的突破，對功率器件電壓和頻率提出了更高的要求。更高電壓和更快開關頻率導致器件在工作過程中產生大量的熱量，熱量作為副產物影響了封裝材料的絕緣性能。
基于目前工藝制備的有機硅凝膠灌封于IGBT模塊中時，當器件內部溫度升高到125℃時，有機硅凝膠內部將產生氣泡，并且隨著溫度升高，硅凝膠內的氣泡呈體積增大，數量增多的趨勢。絕緣材料中的氣泡將嚴重影響材料的絕緣性能，有待提出改進的有機硅凝膠制備工藝。
絕緣材料的擊穿特性直接反映材料的絕緣水平，擊穿場強是表征電介質絕緣特性的關鍵電氣參數。目前，雖然在有機硅凝膠的耐電性能方面已開展了一些研究，但溫度對有機硅凝膠材料工頻耐電特性的影響規律和影響機制尚不明確。
圖2 有機硅凝膠制備脫氣曲線
針對以上問題，華北電力大學的研究人員詳細地研究了有機硅凝膠的灌封工藝，針對有機硅凝膠應用過程中存在的問題，提出新的脫氣曲線，改進有機硅凝膠的制備工藝，提升了有機硅凝膠的產品質量。
圖3 硅凝膠工頻耐電特性實驗平臺
圖4 有機硅凝膠的擊穿現象及擊穿通道
研究人員還分析了溫度對有機硅凝膠工頻耐電特性的影響規律，他們發現，在測試溫度范圍內，有機硅凝膠的擊穿電壓隨溫度的升高而下降；而當溫度達到200℃時，擊穿場強降低為39.27kV/mm，約為常溫下擊穿場強值的一半。
研究人員測試了有機硅凝膠的熱特性，分析了溫度對有機硅凝膠工頻耐電特性的影響機制。溫度升高時，有機硅凝膠的自由體積增大，分子鏈段運動加劇；且有機硅凝膠內部載流子遷移率增大，漏電流增加，故溫度升高后，有機硅凝膠的擊穿電壓降低。
以上研究成果發表在2021年第2期《電工技術學報》，論文標題為“高壓大功率IGBT器件封裝用有機硅凝膠的制備工藝及耐電性”，作者為頊佳宇、李學寶 等。
