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人們希望功率器件可以應(yīng)用在高溫、高壓、高開關(guān)頻率等要求的場(chǎng)合以提升電能轉(zhuǎn)換效率。目前，更高電壓等級(jí)的SiC功率芯片如15kV IGBT、13kV PiN、15kV MOSFET等已得到開發(fā)，但尚未得到實(shí)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(wú)法實(shí)現(xiàn)更高電壓等級(jí)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(nèi)部會(huì)承受較高的電應(yīng)力，導(dǎo)致局部放電，加速絕緣材料老化，甚至導(dǎo)致絕緣擊穿，給電力系統(tǒng)長(zhǎng)期安全運(yùn)行帶來(lái)極大威脅。因此改善功率模塊內(nèi)部電場(chǎng)分布的均勻程度，提升局部放電起始電壓（Partial Discharge Inception Voltage, PDIV）對(duì)功率器件性能提升及電力系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性具有重要意義。

均化功率器件內(nèi)部電場(chǎng)分布的方法主要有兩種：一種方法是幾何，通過(guò)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(chǎng)分布；第二種方法是采用電場(chǎng)調(diào)制的絕緣材料來(lái)均勻化電場(chǎng)分布。

關(guān)于電場(chǎng)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(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證了其對(duì)于功率模塊內(nèi)部電場(chǎng)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(yīng)用于模塊封裝，實(shí)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(shí)驗(yàn)研究尚不多。

天津大學(xué)、天津工業(yè)大學(xué)等單位的研究人員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(guò)實(shí)驗(yàn)研究了納米填料的摻雜量及溫度對(duì)于復(fù)合電介質(zhì)直流電導(dǎo)特性的影響。同時(shí)以復(fù)合電介質(zhì)為封裝絕緣材料制備功率模塊，進(jìn)行局部放電實(shí)驗(yàn)，結(jié)合三維電場(chǎng)分布模擬，研究了其對(duì)于局部放電的優(yōu)化效果。最后進(jìn)行了熱氧老化實(shí)驗(yàn)及溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)，初步探索了復(fù)合電介質(zhì)的可靠性。

圖1 局部放電測(cè)試方法原理圖

圖2 三維電場(chǎng)分布模擬

科研人員發(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(shí)其電導(dǎo)率隨溫度的升高而下降，與溫度呈顯著負(fù)相關(guān)。通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了在SiC摻雜量為60%時(shí)，可顯著提升所封裝功率模塊的PDIV值超過(guò)42.03%。同時(shí)，經(jīng)熱氧老化實(shí)驗(yàn)及溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證，納米SiC/硅凝膠復(fù)合電介質(zhì)對(duì)于功率模塊長(zhǎng)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(dòng)更高電壓等級(jí)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(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“功率器件高電壓封裝用復(fù)合電介質(zhì)灌封材料研究”，作者為李俊杰、梅云輝 等。