图1 典型的IGBT模块封装剖面示意图
Fig.1 Schematic diagram of typical IGBT power module packaging
摘要 有机硅凝胶凭借其优异的电绝缘和机械性能，广泛应用于IGBT器件的封装绝缘。该文详细介绍有机硅凝胶的制备工艺，改进了脱气曲线，解决传统工艺制备的样品在高温下出现气泡的问题。此外，考虑到IGBT器件在运行过程中产生大量的热量，热量作为副产物影响绝缘材料的性能，该文使用改进的脱气曲线制备了有机硅凝胶样品，通过实验得出不同温度下样品击穿电压的韦伯分布，获得温度对有机硅凝胶工频电击穿的影响规律并分析影响机制。该研究将为硅凝胶在高压IGBT功率器件的封装设计中提供重要的实用信息。
关键词：有机硅凝胶 改进脱气曲线 工频电击穿特性 热性能 自由体积理论
高压大功率电力电子装备可以实现电能的灵活变换与调控，是直流输电技术中的关键装备，而高压大功率电力电子装备的核心是高压大功率电力电子器件[1]。绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）集高频、高压和大电流等优点于一身，是国际上公认的电力电子技术第三次革命最具代表性的产品[2]。
近十年来，IGBT器件从芯片设计、工艺、测试到器件封装技术等方面均取得了重大进步[3]。在器件封装方面，有机硅凝胶材料因其具有优良的耐温、防水和电气绝缘性能等，成为电子器件必不可少的封装绝缘材料[4]。目前，硅基IGBT模块灌封用的有机硅凝胶是一种双组份加成型室温或加温硫化有机硅凝胶[5]。
材料的制备工艺将决定材料的性能[6]，使用性能优良的材料封装大功率半导体模块，有助于提升模块的质量和可靠性。2012年，合肥工业大学的张浩研究了电子灌封胶的制备，介绍了硅橡胶材料的制备工艺[7]。2014年，株洲时代新材料科技股份有限公司的丁娉等研究了新型大功率IGBT器件封装用有机硅凝胶的制备及应用，分析了乙烯基硅油的黏度、铂催化剂用量等因素对有机硅凝胶产品质量的影响情况[8]。2015年，中国工程物理研究院流体物理研究所的冯传均等研究了有机硅凝胶用于灌封多级倍压整流电路组成的高压模块的工艺，提出了原材料配比和均匀混合程度对有机硅凝胶成品具有重要的影响，应严格控制；分析了高压模块底部存在大量气泡的原因主要是真空脱泡方式不合适以及封装材料的流动性不好，提出灌封过程中环境温度保持在25～30℃时效果最佳[9]。随着半导体材料技术的突破，对功率器件电压和频率提出了更高的要求。更高电压和更快开关频率导致器件在工作过程中产生大量的热量，热量作为副产物影响了封装材料的绝缘性能。基于目前工艺制备的有机硅凝胶灌封于IGBT模块中时，当器件内部温度升高到125℃时，有机硅凝胶内部将产生气泡，并且随着温度升高，硅凝胶内的气泡呈体积增大，数量增多的趋势。绝缘材料中的气泡将严重影响材料的绝缘性能[10]。2013年，东京大学M. Sato等研究了有机硅凝胶内气泡的脱除过程，提出相同电压作用下，存在气泡的有机硅凝胶比不存在气泡的有机硅凝胶材料在发生局部放电时，放电强度更大，光发射强度也更强[11]。基于现有的有机硅凝胶的制备方法，有待提出改进的制备工艺。
绝缘材料的击穿特性直接反映材料的绝缘水平，击穿场强是表征电介质绝缘特性的关键电气参数。目前，温度对固体和液体绝缘材料电击穿性能的影响规律已有一些研究[12]，但是温度对凝胶态物质的电击穿特性认识尚不清楚。2007年，德国Kassel大学的G. Finis等测试了有机硅凝胶在(-40～100)℃下的击穿电压，实验得出温度低于0℃时，有机硅凝胶的击穿电压较温度高于0℃时的击穿电压降低了一倍[13]。2008年，法国Grenoble大学M. T. Do等研究了针板电极结构下有机硅凝胶的击穿场强，并将其测试结果与液体材料的击穿特性进行对比，分析得出有机硅凝胶的击穿特性与电极之间具有“尺度效应”[14]。2016年，ABB研究中心的J. Banaszczyk等测试了常温下有机硅凝胶在棒-板电极结构下的交流介电击穿特性[15]。关于有机硅凝胶的耐电性能已开展了一些研究，但温度对有机硅凝胶材料工频耐电特性的影响规律和影响机制尚不明确。
本文详细地介绍了有机硅凝胶的灌封工艺，针对有机硅凝胶应用过程中存在的问题，提出新的脱气曲线，改进有机硅凝胶的制备工艺；分析温度对有机硅凝胶工频耐电特性的影响规律。
典型的焊接式IGBT模块封装剖面示意图如图1所示[16]。硅凝胶填充了模块中的所有空隙，用于提高模块的耐压等级、密封模块内各部件、保护芯片、防止潮湿等。
图1 典型的IGBT模块封装剖面示意图
Fig.1 Schematic diagram of typical IGBT power module packaging
高压大功率IGBT模块对灌封胶的要求主要有：①灌封胶材料绝缘强度高，足以保障芯片终端钝化层及器件内部三结合点处等电场集中位置的绝缘；②灌封胶材料制备无副产物；③灌封胶材料具有一定的耐热、防水、耐机械性能等[17]。由于材料的制备工艺决定材料的性能，因此需要对材料的制备工艺有所考究，严格控制制备过程，从而有效提升产品的质量，保障大功率半导体模块的性能和寿命。
本文研究的双组份加成型室温硫化硅凝胶是一种商用硅凝胶。A组分为侧链含氢硅油，作为交联剂；B组分为聚甲基乙烯基硅氧烷，作为基础硅油，并含有铂催化剂。A、B组分的分子式如图2所示。
图2 A组分与B组分的分子式
Fig.2 Molecular formulas of the two parts
有机硅凝胶是以无机硅氧烷链（Si-O-Si）为主链，有机含碳基团为侧链形成的一种含有无机与有机成分的杂化聚合物。Si-O键键能为106kcal/mol，而C-C键键能为85kcal/mol，因此相较于含有C-C键的有机聚合物，有机硅凝胶具有更好的耐热性和耐候性[18]。
随着高压大功率模块内部结构的复杂化，灌封时气泡难以彻底排除，导致硫化后形成的硅凝胶产品有气泡残留[19]。随着模块运行发热，模块温度升高，导致气泡扩大，而气泡是绝缘的薄弱环节，气泡的存在和扩张大大降低了有机硅凝胶的绝缘性能。有机硅凝胶的制备过程对有机硅凝胶产品的性能有影响，目前尚未对有机硅凝胶的制备工艺有详细地介绍。本文搭建了有机硅凝胶制备平台，实现了在万级洁净室内制备和灌封有机硅凝胶材料。针对目前有机硅凝胶制备工艺不透明，制备胶料脱气难的问题，详细介绍了硅凝胶的制备方法，并对传统制备工艺的脱气方案提出改进措施。
有机硅凝胶的制备主要包含三个部分：前期准备、A组分与B组分混合和脱气固化处理。
1.2.1 前期准备
一般模块表面会吸附一些无机物或有机物等，如空气中的尘埃、人手指触摸的油污等，这些物质将影响有机硅凝胶与模块的粘接强度。由于有机硅凝胶热膨胀系数较高，当模块发热或受热时，会导致有机硅凝胶与模块表面剥离，形成气隙。为了保障硅凝胶与模块的良好粘接，需要模块表面完全浸润硅凝胶，因此灌注前，首先需要对模块进行超声波清洗。采用超声波清洗法是由于超声波清洁程度较机械清洗的清洁程度高，超声波清洗有助于处理模块复杂结构中细缝低洼处的杂质物。清洗液选用乙醇或丙酮。丙酮可以使有机物溶胀，因此丙酮的清洗效果更佳，但是丙酮易燃、易挥发，属于危险化学品，因此使用时应注意通风。超声波清洗时间取决于模块的复杂程度，模块结构越复杂，超声波清洗时间越长。对于焊接型IGBT模块，一般清洗5～8min即可。
此外，模块表面均有水分吸附，当模块与有机硅凝胶界面存在水分时，水分降低了有机硅凝胶的粘接强度，此外，水分可以导电，容易形成导电通道，降低绝缘材料的绝缘性能。水分子的直径较小，约为5pm，可以透入各种空隙中。因此，模块清洗除杂后，需要对模块进行烘干处理。烘干温度不能超过模块的最大耐受温度，对于焊接型IGBT模块，一般选80℃，烘干2h，冷却到室温后即可对模具灌封有机硅凝胶。
前期准备工作包含清洗和除水分两方面，前期准备工作的意义在于保障模块处于最佳灌封有机硅凝胶的状态，有利于有机硅凝胶与模块的良好浸润。
1.2.2 A组分与B组分混合
本文研究所用的有机硅凝胶是一种商用硅凝胶。A组分与B组分按照质量比为1
1混合后，在铂催化剂的作用下，发生氢向乙烯基加成反应[20]，交联反应化学式如图3所示。
图3 A组分与B组分加成反应化学式
Fig.3 Addition reaction of part A and part B catalyzed by platinum
有机硅凝胶在硫化过程中，无应力收缩，硫化后保持柔软、透明，便于观察和维修。同时，有机硅聚合物分子的主链是一个扭曲的螺旋结构，分子几乎完全被疏水性的甲基覆盖，表面能很低，因此有机硅凝胶具有良好的疏水性。此外，有机硅凝胶的分子链结构高度对称，是一种低极性聚合物，因而吸收的水分也很少。
A组分与B组分采用动态混合，混合平台如图4所示。关闭排气阀，开启调压阀，等待压力桶内气压稳定后，调整动态阀出胶比例，使得A组分与B组分出胶质量比为11；通过转速器调节动态混合管的转速，调至60%处时，转速约为78r/min；通过控制器控制出胶量。
图4 A组分与B组分动态混合装置
Fig.4 Dynamic glue mixing machine
在灌注模块前，需要先排胶，待出胶稳定，胶体中气泡量较少时，再灌注到模块中。A组分与B组分混合后注入球球电极结构模具，脱气前状态如图5所示。
图5 A组分与B组分混合后灌注于模具
Fig.5 State after mixture of part A and part B
1.2.3 脱气固化处理
A组分与B组分动态混合时，难以避免有空气进入胶液内，A组分与B组分混合后灌注于模具如图5所示，脱气前模具中存在肉眼可见气泡。由于气泡的介电常数较小，气泡的存在会影响有机硅凝胶的绝缘性能，因此需要对混合液进行真空脱气处理。此外，由于温度会影响交联反应速度，温度越高，分子运动越剧烈，交联反应越快，不利于气泡的脱除，因此脱气处理需要在常温下进行。将模具放置于DZF-6090LC真空烘箱中，抽真空进行脱气处理，脱气过程模具内硅凝胶中的气泡如图6所示，真空烘箱常温下最低压强可达100Pa。
黏性液体中的气泡运动是一个非常复杂的物理过程[21]，气泡运动过程中受到浮力、张力、黏滞阻力、Basset力的作用，即
（1）式中，ma为气泡质量；v为气泡运动速度；FV为浮力；FB为Besset力；FD为黏滞阻力；FI为黏性液惯性力。
图6 脱气过程模具内硅凝胶中的气泡
Fig.6 Bubbles in silicone gel during degassing
随着真空烘箱内气压逐渐降低，气泡体积逐渐增大，气泡上浮过程会出现形变和多气泡融合，气泡相互融合后，气泡的体积增大；当气泡运动至混合液表面时，气泡与水交界面处的表面张力不足以维持气泡形态，气泡破裂。随着脱气过程的进行，混合液中气泡含量越来越少，气泡体积也越来越小。依据气泡动力学[22]，气泡尺寸较大时，雷诺数（Reynolds）较大，气泡受到黏滞阻力作用可忽略，随着气泡上升，气泡的体积增大，气泡的运动速度加快。当气泡的Reynolds低于混合液临界Reynolds时，随着气泡上升，表面张力和黏性的影响都增强，导致气泡的半径逐渐减小，气泡的运动速度逐渐降低。因此，随着脱气过程的进行，气泡运动至混合液表面并成功破裂所需要的时间越来越长。由于有机硅凝胶制备的可操作时间是一定的，因此该脱气过程不利于气泡的彻底脱除，导致混合液固化后形成的硅凝胶在高温下时，容易产生气泡。
有机硅凝胶的A组分与B组分混合后，难以避免有空气进入胶液，气泡的介电常数较小，故气泡的存在会大大降低有机硅凝胶的耐压能力，因此有机硅凝胶固化前需要进行抽真空脱气处理。一般脱气过程进行5～6min后，混合液中的气泡越来越少，气泡体积也越来越小，气泡运动速度缓慢。传统脱气方式是将有机硅凝胶置于真空箱中并抽真空至最低压强后静候气泡完全脱除，经观察，此脱气方法无法导致最终气泡完全脱除，180℃时模具内有机硅凝胶出现气泡如图7所示。将固化后的有机硅凝胶样品放置于180℃的温箱中时，有机硅凝胶内部出现多个气泡，温度降低时气泡减小，温度恢复到室温一段时间后，气泡消失。
图7 180℃时模具内有机硅凝胶出现气泡
Fig.7 Bubbles formed in silicone gel at 180℃
针对传统脱气过程出现的问题，基于反复大量的实验调试，提出改进脱气曲线，即脱气过程中适量增加泄压环节，有机硅凝胶制备脱气曲线如图8所示。气泡在混合液中运动时，气泡与混合液界面存在相对滑动，一方面，随着脱气过程的进行，A组分与B组分的交联反应程度增加，混合液的黏度也增加，运动至混合液表面的气泡破裂所需的时间越来越长，多次泄压可以促进表面气泡破裂；另一方面，随着脱气过程的进行，混合液的雷诺数下降，依据气泡动力学[22]，当气泡的Reynolds低于混合液临界Reynolds时，气泡受到的黏滞阻力不可忽略，排气泄压后，混合液中的气泡缩小，混合液的波动变缓，静置后重新抽真空，气泡向上运动的阻力降低，气泡更容易脱除[23]。脱气后，将模具置于温箱中，并加温到80℃，约3h后，混合液固化为有机硅凝胶。加温时间取决于模具中混合液厚度，厚度越大，需要的加温时间越长。
图8 有机硅凝胶制备脱气曲线
Fig.8 Degassing curves of silicone gel during processing
采用传统脱气曲线与采用改进脱气曲线制备的有机硅凝胶样品在180℃恒温箱中处理后，样品形貌情况如图9所示。
实验室内制备的有机硅凝胶产品的主要参数见表1。依据改进的脱气曲线制备的有机硅凝胶，在200℃时内部未见气泡产生。
图9 两种脱气方案制备的有机硅凝胶经过180℃高温处理后的效果
Fig.9 Comprasion of the silicone gel samples under different preparation processes at 180℃
表1 有机硅凝胶的主要参数（23℃）
Tab.1 The main parameters of silicone gel at 23℃
性能参数数 值 密度/(g/cm3)0.97 介电常数2.7 体积电阻率/(W·cm)1015 损耗因子0.001 针入度/(mm/10)300
改进的脱气曲线增加了反复释压的操作，因此不可避免地造成额外的抽真空能耗。传统脱气曲线与改进脱气曲线的制备过程均需约30min左右，故未增加时间成本。实验时，采用批量化制备，真空烘箱可同时容纳10个样品进行抽真空脱气操作，大大降低了每个样品所需的能耗增量。此外，通过改进的工艺制备的有机硅凝胶样品解决了气泡问题，从而避免了高温下有机硅凝胶绝缘水平的降低。
绝缘材料击穿是在电应力作用下导致材料内部绝缘性能严重损失，发生穿孔或出现碳化通道，并引起回路电流的现象。材料的电击穿特性直观反映了材料的电绝缘能力。本文搭建了有机硅凝胶工频耐电特性实验平台，研究温度对有机硅凝胶耐电特性的影响规律。
依据IEC 60243[24]标准设计实验平台如图10所示，交流电压源输出电压0～100kV，电压畸变率小于2%，升压速率2kV/s，升压曲线如图10所示。被测试品的模具容积为200mL，电极为铜制球球电极，电极直径13mm，电极间距1mm。基于实验室内制备的有机硅凝胶样品，测试了不同温度下有机硅凝胶的工频耐电特性。
图10 有机硅凝胶工频耐电特性实验平台示意图
Fig.10 Schematic diagram of experimental platform
球球电极结构下，击穿场强近似计算公式为
（2）式中，Ebd为击穿场强峰值；Ubd为击穿电压最大值；s为气隙间距；h 为Schwaiger系数，对于较均匀场，h 取值为0.9。
图11展示了有机硅凝胶的击穿现象及击穿通道。Ⅰ展示了发生击穿瞬间，有机硅凝胶产生强烈的光信号；Ⅱ展示了放电发生后瞬间，球球电极间产生了气泡，并且在显微镜下观察了气泡形态；击穿后的样品放置一段时间后，将进入Ⅲ状态，球球电极间的气泡变小；最终形成图11中Ⅳ所示的电树枝通道，此时硅凝胶丧失耐压能力。
图11 有机硅凝胶的击穿现象及击穿通道
Fig.11 Breakdown phenomena and channel in silicone gel
绝缘材料的击穿起始于材料内部绝缘弱点[25]，而聚合物中的缺陷是随机分布的，因此聚合物的击穿事件符合一定的统计规律，一般采用多个样本，可通过概率分布统计法评估聚合物的击穿电压[26]。Weibull分布基于弱点击穿理论构建，双参数Weibull分布广泛应用于分析绝缘材料的击穿电压。根据Weibull分布函数特征[27]，有机硅凝胶的击穿电压对应于63%累积概率处的击穿电压。Weibull分布的累积概率函数（Cumulative Probability Function, CDF）可表示为
（3）式中，P为累积概率密度分布函数；a 为63%对应的分位数，也称为尺度参数，表示发生概率为63%的击穿电压值；b 为度量分散程度的Weibull指数，也称为形状参数，表示击穿电压的变化幅度，b 越大，其击穿场强变化幅度越小；U为有机硅凝胶的击穿电压。
测试了传统脱气曲线与改进脱气曲线制备的有机硅凝胶样品在200℃的恒温箱中处理后的击穿电压值，通过式（3）计算Weibull分布得出累计概率密度曲线，200℃下制备工艺对有机硅凝胶击穿电压的影响如图12所示。
图12 200℃下制备工艺对有机硅凝胶击穿电压的影响
Fig.12 The influence of preparation technology on breakdown voltage of silicone gel at 200℃
200℃下，原始制备工艺得到的有机硅凝胶样品内出现气泡，依据Weibull分布统计得到工频耐受电压为31.30kV；而改进的制备工艺得到的有机硅凝胶样品在200℃下未见气泡，工频耐受电压为35.34kV。对比两种制备工艺获得的有机硅凝胶样品，改进的制备工艺使得有机硅凝胶样品在200℃下耐压能力提升了12.9%。
为获得温度对有机硅凝胶耐压特性的影响规律，测试了不同温度下有机硅凝胶的工频击穿电压，依据式（3）计算Weibull分布，得出每个温度点下的累计概率密度曲线如图13所示。不同温度下有机硅凝胶的Weibull分布参数见表2。
根据Weibull分布统计结果，获得了不同温度下，有机硅凝胶的击穿场强，如图14所示。从图14可知，温度对有机硅凝胶的绝缘性能有重要影响，随着温度升高，23～80℃之间，有机硅凝胶的击穿场强有所降低，但降低程度较小；当温度达到120℃左右时，有机硅凝胶的击穿场强明显下降；当温度达到200℃时，有机硅凝胶的击穿场强只有约常温下的一半。
图13 不同温度下有机硅凝胶的Weibull分布
Fig.13 Weibull distribution of silicone gel under different temperature
表2 不同温度下的Weibull分布参数
Tab.2 Weibull distribution parameters under different temperature
温度/℃a/kVbEbd/(kV/mm) 2367.5710.4175.08 4064.119.2771.23 8060.5210.5067.24 12055.909.1662.11 16047.536.1652.81 20035.346.7639.27
图14 不同温度下有机硅凝胶的工频击穿场强
Fig.14 The breakdown field strength of silicone gel under different temperature
温度对有机硅凝胶的绝缘性能有重要影响，为分析其影响机理，测试了有机硅凝胶材料的热特性，并结合聚合物自由体积理论分析了有机硅凝胶的耐电性受温度的影响机制。
功率半导体模块中的终端钝化层与封装材料对热约束均很敏感，因此需要考究封装材料的热性能。材料的耐热分解性主要与材料的网络结构密切相关，当结构链段易于断裂时，材料的热分解行为就容易出现。本文测试了有机硅凝胶的热失重（Thermo Gravimetric Analyzer, TGA）特性[28]，并对有机硅凝胶的TGA曲线求一阶导数获得有机硅凝胶的微商热重（Differential Thermo Gravimetry, DTG）曲线，DTG曲线用于表征有机硅凝胶在不同温度下的分解速度，如图15所示，图中，m为有机硅凝胶样品质量分数。
图15 有机硅凝胶的热失重和微商曲线
Fig.15 Curves of TGA and DTG of silicone gel
测试条件为：N2，升温10℃/min。图15中，A点为有机硅凝胶的初始分解温度，但由于A点波动性较大，受诸多因素影响，因此，依据美国ASTM规定分解5%（即B点）和分解50%（即C点）两点的直线与基线的延长线的交点（即D点）为分解温度[29]。有机硅凝胶的热失重特性见表3。
表3 有机硅凝胶的热失重特性
Tab.3 Thermogravimetric characteristics of silicone gel
指标数值/℃ 初始分解温度187 ASTM标准分解温度540
DTG曲线是有机硅凝胶量变化率与温度的函数关系。根据DTG曲线可知：当温度达到500～700℃时，有机硅凝胶分解速率较快，且温度高于约800℃时，分解完成。
依据TGA测试结果可知，有机硅凝胶在187℃时开始出现分解，到200℃时，失重率为0.037 2%。因此，有机硅凝胶在200℃及以下，物化性能基本稳定。
为分析有机硅凝胶在测试温度范围内分子链段状态变化情况，测试了有机硅凝胶的差式扫描热量（Differential Scanning Calorimetry, DSC）测量图谱，如图16所示。
图16 有机硅凝胶的DSC测量图谱
Fig.16 DSC pattern of silicone gel
依据DSC测试结果可知，在室温到200℃内，有机硅凝胶的分子链段状态不发生变化，结合有机硅凝胶的玻璃化温度Tg大约为-150℃，可知有机硅凝胶在测试温度范围内，均处于高弹态。
温度对聚合物的击穿场强有着重要影响，在不同温度范围内，击穿机制也不同[30]。聚合物击穿场强对温度的依赖性如图17所示。
图17 聚合物击穿场强对温度的依赖性
Fig.17 Temperature dependence of breakdown for polymers
图17中，两个临界温度T1、T2分别为聚合物的玻璃化转变温度和熔融温度。当温度处于玻璃化转变温度以下时，聚合物的击穿场强与温度无关；当温度在两个临界温度之间时，击穿机制与电子碰撞电离或介质损耗导致的热过程有关，击穿场强与温度呈负相关；当温度高于熔融温度时，Maxwell应力导致聚合物机械形变，击穿场强随温度升高而骤降。在本文实验温度20～200℃范围内，硅凝胶处于高弹态，因此其可能的机制都与热作用有关。
固体和液体材料的体积包括两个部分：①已经占据的占有体积；②未被占据的自由体积，即自由体积以“孔穴”形式分散于整个物质中的体积[31-32]。根据聚合物自由体积击穿理论，温度升高，自由体积增大，载流子的平均自由程增大，动能积累增加，分子链段运动加剧易断裂，从而造成击穿场强下降；同时，温度升高，有机硅凝胶自由体积增大，内部载流子迁移率增加，载流子脱陷速度加快，漏电流增大，最终导致有机硅凝胶的耐电能力下降。
因此，温度主要改变了有机硅凝胶材料内部的自由体积，最终影响有机硅凝胶的击穿场强。
本文主要研究了高压大功率电力电子器件灌封用有机硅凝胶的制备工艺与温度对有机硅凝胶工频耐电特性的影响规律。主要结论如下：
1）详述了有机硅凝胶的制备工艺，并提出了有机硅凝胶制备工艺的改进方法，提升了有机硅凝胶的产品质量。
2）在本文测试温度范围内，有机硅凝胶的击穿电压随温度的升高而下降。当温度达到200℃时，击穿场强降低为39.27kV/mm，约为常温下击穿场强值的一半。
3）测试了有机硅凝胶的热特性，分析了温度对有机硅凝胶工频耐电特性的影响机制。温度升高时，有机硅凝胶的自由体积增大，分子链段运动加剧；且有机硅凝胶内部载流子迁移率增大，漏电流增加，故温度升高后，有机硅凝胶的击穿电压降低。
本文的工作将为硅凝胶在高压IGBT功率器件的封装设计提供重要的实用信息。
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Preparation Process and Breakdown Properties of Silicone Gel Used for the Encapsulation of IGBT Power Modules
Abstract Silicone gel is a prevailing material for the encapsulation of IGBT power modules due to its excellent electrical insulation and mechanical properties. In the paper, the preparation process of silicone gel is elaborated. The improved vacuum degassing process is proposed, which can solve the problem that the bubbles are always generated in silicone gel at higher temperatures. In addition, the heat as a byproduct generated during the running of modules will result in temperature changes of the encapsulant. Therefore, the Weibull distributions of silicone gel sample, prepared in accordance with the improved degassing method, are measured under different temperatures. Then, the influence mechanism of temperature on the breakdown characteristic of silicone gel is analyzed. This paper can provide the practical information for the design of encapsulation in high voltage IGBT power modules.
keywords：Silicone gel, improved degassing process, breakdown characteristic under power frequency, thermal performance, free volume theory
中图分类号：TM211
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200099
国家自然基金与国家智能电网联合基金（U1766219）和中央高校基金（2019QN120）资助项目。
收稿日期 2020-02-04
改稿日期 2020-04-25
顼佳宇 女，1992年生，博士研究生，研究方向为高压设备绝缘、高压大功率电力电子器件封装技术、有机硅凝胶绝缘能力评估。E-mail: ncepuxjy@163.com
李学宝 男，1988年生，博士，副教授，研究方向为电力系统的电磁环境和电磁兼容、高压设备绝缘。E-mail: lxb08357@ncepu.edu.cn（通信作者）
（编辑 陈 诚）