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近十年來(lái)，絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）從芯片設(shè)計(jì)、工藝、測(cè)試到器件封裝技術(shù)等方面均取得了重大進(jìn)步。在器件封裝方面，有機(jī)硅凝膠材料因其具有優(yōu)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(jī)硅凝膠是一種雙組份加成型室溫或加溫硫化有機(jī)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(yōu)良的材料封裝大功率半導(dǎo)體模塊，有助于提升模塊的質(zhì)量和可靠性。隨著半導(dǎo)體材料技術(shù)的突破，對(duì)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(guān)頻率導(dǎo)致器件在工作過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱量，熱量作為副產(chǎn)物影響了封裝材料的絕緣性能。

基于目前工藝制備的有機(jī)硅凝膠灌封于IGBT模塊中時(shí)，當(dāng)器件內(nèi)部溫度升高到125℃時(shí)，有機(jī)硅凝膠內(nèi)部將產(chǎn)生氣泡，并且隨著溫度升高，硅凝膠內(nèi)的氣泡呈體積增大，數(shù)量增多的趨勢(shì)。絕緣材料中的氣泡將嚴(yán)重影響材料的絕緣性能，有待提出改進(jìn)的有機(jī)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(chǎng)強(qiáng)是表征電介質(zhì)絕緣特性的關(guān)鍵電氣參數(shù)。目前，雖然在有機(jī)硅凝膠的耐電性能方面已開展了一些研究，但溫度對(duì)有機(jī)硅凝膠材料工頻耐電特性的影響規(guī)律和影響機(jī)制尚不明確。

圖2 有機(jī)硅凝膠制備脫氣曲線

針對(duì)以上問(wèn)題，華北電力大學(xué)的研究人員詳細(xì)地研究了有機(jī)硅凝膠的灌封工藝，針對(duì)有機(jī)硅凝膠應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題，提出新的脫氣曲線，改進(jìn)有機(jī)硅凝膠的制備工藝，提升了有機(jī)硅凝膠的產(chǎn)品質(zhì)量。

圖3 硅凝膠工頻耐電特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖4 有機(jī)硅凝膠的擊穿現(xiàn)象及擊穿通道

研究人員還分析了溫度對(duì)有機(jī)硅凝膠工頻耐電特性的影響規(guī)律，他們發(fā)現(xiàn)，在測(cè)試溫度范圍內(nèi)，有機(jī)硅凝膠的擊穿電壓隨溫度的升高而下降；而當(dāng)溫度達(dá)到200℃時(shí)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)降低為39.27kV/mm，約為常溫下?lián)舸﹫?chǎng)強(qiáng)值的一半。

研究人員測(cè)試了有機(jī)硅凝膠的熱特性，分析了溫度對(duì)有機(jī)硅凝膠工頻耐電特性的影響機(jī)制。溫度升高時(shí)，有機(jī)硅凝膠的自由體積增大，分子鏈段運(yùn)動(dòng)加劇；且有機(jī)硅凝膠內(nèi)部載流子遷移率增大，漏電流增加，故溫度升高后，有機(jī)硅凝膠的擊穿電壓降低。

以上研究成果發(fā)表在2021年第2期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“高壓大功率IGBT器件封裝用有機(jī)硅凝膠的制備工藝及耐電性”，作者為頊佳宇、李學(xué)寶 等。