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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)頻率等要求的場合以提升電能轉(zhuǎn)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(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。

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，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。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，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。

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。

天津大學、天津工業(yè)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(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。

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(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。

本文編自2022年第3期《電工技術(shù)學報》，論文標題為“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。