图1 局部放电测试方法原理图
Fig.1 Schematic diagram of partial discharge testing
摘要 封装绝缘材料是电力电子器件中最主要的绝缘组件，它的特性决定了高电压功率器件的适用性。该文提出了一种添加纳米级颗粒碳化硅的硅凝胶复合电介质材料，该新型硅凝胶基复合电介质材料具有显著的非线性电导特性，文中首先研究了其中碳化硅填充颗粒的掺杂比例和服役工作温度对其直流电导特性的影响规律。随后，采用制备的新型硅凝胶基复合电介质研制了耐高电压的封装功率模块并进行了局部放电测试实验。实验结果确认了提出的新型复合电介质对于功率模块封装的绝缘耐受电压具有明显改善效果。60%碳化硅颗粒填充比例下，该复合电介质可显著降低功率模块内部电场强度。其中，模块局部放电起始电压可提升42.03%。最后，本文还验证了该新型复合电介质材料的热氧老化抗性及抗温度冲击可靠性。
关键词：高电压绝缘 局部放电 功率模块 非线性电导 碳化硅封装
人们希望功率器件可以应用在高温、高压、高开关频率等[1]要求的场合以提升电能转换效率[2]。目前，更高电压等级的SiC功率芯片如15kV IGBT、13kV PiN、15kV MOSFET[3]等已得到开发，但尚未得到实际封装应用。这主要是由于目前的半导体封装技术无法实现更高电压等级器件的封装[4]。如果沿用硅基器件的封装方案，在高阻断电压工况下，封装绝缘材料内部会承受较高的电应力，导致局部放电[5-6]，加速绝缘材料老化，甚至导致绝缘击穿，给电力系统长期安全运行带来极大威胁[7]。因此改善功率模块内部电场分布的均匀程度，提升局部放电起始电压（Partial Discharge Inception Voltage, PDIV）对功率器件性能提升及电力系统长期运行可靠性具有重要意义。
均化功率器件内部电场分布的方法主要有两种：一种方法是几何[8-10]，通过改善几何结构，优化基板结构和尺寸等改善电场分布；第二种方法是采用电场调制的绝缘材料来均匀化电场分布[11]。
关于电场调制的绝缘材料的研究已广泛开展于电缆端子、绝缘体、定子线圈等方面，但在功率电力电子器件中研究较少。L. Donzel等[12]在聚酰亚胺中掺杂氧化锌，制备了非线性电导均压材料，并通过数值模拟验证了其对于功率模块内部电场分布的均化效果；N. Wang等[13]在硅凝胶中添加钛酸钡制备了非线性介电材料，并应用于模块封装，实现了提升局部放电起始电压的效果。但目前关于非线性电导均压材料应用于功率模块封装的实验研究尚不多。
本文制备了不同掺杂量的纳米SiC/硅凝胶复合电介质，并通过实验研究了纳米填料的掺杂量及温度对于复合电介质直流电导特性的影响。同时以复合电介质为封装绝缘材料制备功率模块，进行局部放电实验，结合三维电场分布模拟，研究了其对于局部放电的优化效果。最后进行了热氧老化实验及温度循环实验，初步探索了复合电介质的可靠性。
本文采用道康宁公司生产的DC527双组份加成型有机硅凝胶[14]作为基体材料，采用北京德科岛金科技有限公司生产的纳米SiC颗粒作为非线性填料（粒径40nm，纯度99.99%）。采用物理混合法制备纳米SiC/硅凝胶复合电介质。先将纳米SiC颗粒在100℃下干燥12h以去除颗粒内部吸潮增加的水分。将干燥后的纳米SiC颗粒与KH-550、无水乙醇混合，超声分散20min以实现纳米颗粒表面改性。待乙醇挥发完毕后，将纳米颗粒与有机硅凝胶A、B组分按体积比混合，放入行星式搅拌机在2 000r/min的转速下高速混合30min，混合结束的复合材料放入真空箱真空去泡30min。
作为功率模块封装绝缘材料，首先应具备优异的流动性以实现功率模块灌封。纳米SiC颗粒的加入会使得纳米SiC/硅凝胶复合电介质流动性下降，因此有必要对复合电介质的粘度参数进行表征。本文采用NDJ-79旋转粘度计测试复合电介质的粘度参数。
本文将复合电介质固化在绝缘油杯中进行电导率测试，测试回路如图1a所示。图中高压源可提供最高30kV直流高压，采用Keithley 6485皮安表（20fA～20mA）进行电流测试，为避免测试过程中试样边缘位置的放电脉冲损坏仪表，在皮安表两侧并联了稳压二极管[15]。测量时，以鼓风干燥箱为屏蔽箱，固定绝缘油杯电极间距为0.5mm，缓慢升高电压且每隔20min测量并记录一次电压电流数据，以保证达到稳定的传导电流[16]。
图1 局部放电测试方法原理图
Fig.1 Schematic diagram of partial discharge testing
本文采用所开发的纳米SiC/硅凝胶复合电介质灌封功率模块，并进行局部放电测试，测试系统如图1b所示。其中，局部放电（Partial Discharge, PD）信号可利用意大利Techimp公司的带宽为40MHz的PD check进行监测，同时通过高频电流互感器（High Frequency Current Transducer, HFCT）耦合PD信号[17]。该设备高压源最大输出电压为30kV。根据IEC 61287标准，在10s内将测试电压有效值升至
（Um为功率模块阻断电压），维持60s；在接下来的10s内将施加的电压有效值降至
，在该电压下持续30s，记录最后5s的局部放电量。当局部放电量低于10pC时，认为此电压未达到该功率模块的起始局部放电电压。测试时，升压梯度为0.5kV，以三次重复实验的平均值作为模块PDIV的最终值。
本文根据IEC 60216—1—2001分别对采用纯硅凝与纳米SiC/硅凝胶复合电介质封装的功率模块进行热氧老化实验[18]（150℃）。通过记录老化前后模块的PDIV，验证该复合电介质的绝缘可靠性。
根据阿列纽斯方程，其热老化寿命等效换算公式为
（1）式中，TimeT1为加速老化时间；TimeRT为等效工作温度时间寿命；T1为加速老化温度；RT为等效工作温度；Q10为反应速率系数（一般取2）。例如，老化48h的等效时间寿命可表示为
（2）本文根据JESD 22—A104c分别对采用纯硅凝与纳米SiC/硅凝胶复合电介质封装的功率模块进行温度循环实验（-40～125oC），实验过程中，每200圈测试一下模块的PDIV。
图2为室温下纳米SiC/硅凝胶复合电介质的粘度随纳米SiC掺杂量的变化规律。其中掺杂量是指每100份体积的复合电介质中纳米SiC所占的份数。纯硅凝胶的粘度为0.5mPa·s，添加纳米SiC之后，复合电介质的粘度增大，且掺杂量越多，粘度增幅越大，呈指数规律增加。掺杂量为60%的纳米SiC/硅凝胶的粘度增加为1.35mPa·s，尽管粘度已经增加为纯硅凝胶材料粘度的2.7倍，但复合材料仍具备封装过程中填充功率模块内部的流动能力。此外，当纳米SiC掺杂量体积分数为70%时，旋转粘度计转子已无法浸入复合电介质内，这说明掺杂70%纳米SiC的复合电介质已丧失流动性，无法满足使用需求。因此，体积分数为60%的SiC掺杂量是此粒径条件下的掺杂上限。
图2 粘度随纳米SiC掺杂量的变化
Fig.2 Effect of filler content on viscosity
2.2.1 纳米SiC掺杂量对电导特性的影响
电导率随纳米SiC掺杂量的变化如图3所示，纯硅凝胶的电导率在整个电场范围内缓慢增加，这主要是由于空间电荷限制电流（Space Charge Limited Current, SCLC）[19]引起的，载流子获得的能量不足以越过陷阱势垒，导致载流子被捕获，并以空间电荷的形式积累，限制了电导率的增加速度。
图3 电导率随纳米SiC掺杂量的变化
Fig.3 Effect of filler content on electrical conductivity
当电场强度达到阈值（电导率发生急剧变化、表现非线性的电场强度）后，纳米SiC/硅凝胶复合电介质电导率快速上升[20]，呈现非线性，且纳米SiC掺杂量越高，阈值场强越小。这表明纳米SiC的加入可以在导带内提供更多的载流子，当电场接近阈值时，导带载流子数量急剧增加，因此电导率得以快速上升。同时随着SiC掺杂量的增加，相邻SiC颗粒之间的距离减小，在高电场下，更易形成导电网络，因此，复合电介质电导率非线性度增大。
2.2.2 温度对复合电介质电导特性的影响
在功率器件内部由于芯片自身工作损耗发热会导致结温上升，因此有必要研究纳米SiC/硅凝胶复合电介质的非线性电导特性随温度的变化规律。本文对不同电介质在30℃、60℃、90℃温度下的电导率进行了研究，得到不同比例SiC/硅凝胶的电导率随温度变化如图4所示。
图4 电导率随温度的变化
Fig.4 Effect of temperature on electrical conductivity
从图4a可以看出，纯硅凝胶电导率在30℃下最小，在90℃下最大，即纯硅凝胶的电导率与温度呈正相关。这是由于纯硅凝胶中载流子数量较少，且多处于禁带中，随着温度的升高，高温为载流子跳入导带提供了能量，因此随温度升高，在整个电场范围内电导率得以增大。
图4b和图4c为不同掺杂量的纳米SiC/硅凝胶复合电介质的电导率随温度的变化规律。从图中可以看出，复合电介质的电导率随温度升高而减小，与温度呈负相关。这被认为是由于硅凝胶和SiC导电机制不同导致的。SiC作为半导体材料，价带与导带间能隙较窄，电场强度较大时，大部分载流子易于被激发到导带上，因此电场对于载流子的激发作用要远高于温度的激发作用。同时，温度的升高也会引起晶格振动，导致电流中的电子被散射[15]，使得电导率降低。
图5所示为采用不同电介质材料封装的功率模块的PDIV。在50Hz交流电载荷下，纯硅凝胶封装的功率模块在方均根值（Root Mean Square, RMS）6.9kV下开始发生局部放电。相比于纯硅凝胶封装的模块，随SiC掺杂量的增加，复合电介质封装的功率模块的PDIV逐渐增大。掺杂量为60%的纳米SiC/硅凝胶复合电介质封装的功率模块的PDIV（方均根值）达到了9.8kV（峰值电压达到13.86kV），实现了42.03%的提升。这证明了掺杂纳米SiC的复合电介质可以有效降低模块发生局部放电风险。
图5 局部放电起始电压随填充颗粒量的变化
Fig.5 Effect of filler content on PDIV
局部放电起始电压随热氧老化时间的变化如图6所示。由图6可知，随着热氧老化时间的增加，功率模块PDIV先增大后减小，纯硅凝胶封装的功率模块PDIV在老化96h后，RMS缓慢增加至8.4kV。而在热氧老化480h后，其PDIV逐渐降低至3.8kV。这主要是由于热氧老化初期，高温促使硅凝胶的交联密度提升[21]，深陷阱密度及能级增大，浅陷阱电荷密度减小，使得对电荷的束缚能力增强，电荷迁移率减小，缓慢地提高了PDIV。但随着热氧老化时间增加，在高温的持续作用下，硅凝胶发生主链断裂，交联结构逐渐被破坏，交联密度减小，对电荷束缚能力显著减弱，电荷迁移率增大，从而更易形成放电通路[21]，使得PDIV大幅下降，下降幅度达44.93%。
图6 局部放电起始电压随热氧老化时间的变化
Fig.6 Effect of thermal aging time on PDIV
采用纳米SiC/硅凝胶复合电介质封装的功率模块在整个热氧老化实验过程中PDIV变化与纯硅凝胶封装的功率模块的趋势相同。在老化144h后，其PDIV的RMS达到最高值10.5kV，最终480h老化后，PDIV降低至6.3 kV。值得关注的是，在整个热氧老化过程中，纳米SiC/硅凝胶复合电介质封装的功率模块的PDIV始终高于采用纯硅凝胶封装的功率模块。这有益于推动更高电压等级功率芯片的模块化可靠封装。
PDIV随温度循环圈数的变化如图7所示。由图7可知，功率模块PDIV随温度循环圈数的增加而逐渐下降，经历400圈循环后，采用纳米SiC/硅凝胶复合电介质封装的功率模块的PDIV由9.8kV下降到9.5kV，采用纯硅凝胶封装的功率模块PDIV由6.9kV下降到了6.5kV。这主要是由于氧化交联结构的形成，使得封装介质变硬变脆，内部更容易产生微裂纹，导致绝缘性能退化。值得注意的是，采用纳米SiC/硅凝胶复合电介质封装的功率模块的PDIV始终高于纯硅凝胶封装的模块。
图7 PDIV随温度循环圈数的变化
Fig.7 Effect of thermal shock test on PDIV
本文根据测得的两种材料在不同电场强度下的电导率数据进行拟合，利用COMSOL Multiphysics仿真软件进行三维电场分布模拟，分析功率模块内部电场分布，验证纳米SiC/硅凝胶复合电介质对于功率模块内部电场分布的优化效果。
采用交流瞬态求解器，DBC基板上铜金属化层设置交流激励电压有效值为10kV，下铜金属化层设置接地，得到两种模型电场强度分布如图8所示。可以看出，峰值电场强度出现在上铜金属化层三结合点（即铜层、陶瓷层及硅凝胶的交界位置），这也与相关研究结果相一致[12-13]，且与纯硅凝胶相比，纳米SiC/硅凝胶复合电介质可显著改善功率模块内部的电场分布，峰值电场强度由70.26kV/mm下降到49.06kV/mm，降低了43.20%，且整个模块内部电场分布得到了显著改善，这与局部放电实验结果相一致，验证了纳米SiC/硅凝胶复合电介质对于功率模块内部电场分布的优化效果。
图8 三维电场分布模拟
Fig.8 3-D electric field distribution simulation
本文制备了一种具有足够流动性的纳米SiC/硅凝胶复合电介质。研究发现，该复合电介质的电导率呈现明显的非线性变化规律，同时其电导率随温度的升高而下降，与温度呈显著负相关。通过数值模拟结合实验研究，验证了在SiC掺杂量为60%时，可显著提升所封装功率模块的PDIV值超过42.03%。同时，经热氧老化实验及温度循环实验初步验证，纳米SiC/硅凝胶复合电介质对于功率模块长期绝缘稳定性及工作可靠性不低于商用硅凝胶材料。因此，该方法有益于推动更高电压等级功率芯片的模块化可靠封装。
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Study on Composite Dielectric Encapsulation Materials for High Voltage Power Device Packaging
Abstract The packaging insulation material is the most important part in power electronic devices, because it limits the applicability of the power devices in the trend of high voltage. In this paper, silicone gel composites with nonlinear electrical conductivity were prepared by doping silicon carbide nanoparticles with the silicone gel. The effects of the filler content and operating temperature on the DC conductance of the composites were discussed experimentally. Power modules were demonstrated using the composites for further partial discharge (PD) testing. The PD initial voltage of the power modules were improved in the proposed way. The results showed that the electric field distribution can be significantly homogenized by the composite with the 60vol% filler in the power module. The partial discharge initial voltage can be increased by 42.03%. Thermal oxygen aging testing and thermal shock testing were also carried out to verify the long-term reliability of the insulation composites.
keywords：High-voltage insulation, partial discharge, power module, conductivity nonlinearity, SiC device packaging
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210049
中图分类号：TM215.92
天津市科技局（20JCYBJC00970）和国家自然科学基金（51922075, U1966212）资助项目。
收稿日期 2021-01-12
改稿日期 2021-03-26
李俊杰 男，1996年生，硕士，研究方向为电力电子封装与材料。E-mail：junjieli@tju.edu.cn
梅云辉 男，1985年生，教授，博士生导师，研究方向为电力电子封装与材料。E-mail：meiyunhui@163.com（通信作者）
（编辑 郭丽军）