（1）
摘要 随着电能变换装备大量投入智能电网与新能源发电领域，功率器件封装绝缘的劣化状态与寿命评估逐渐成为研究热点，采用热分析动力学方法可为封装绝缘剩余寿命评估提供新的解决途径。该文首先推导出有机硅凝胶的微观热解动力学表征模型，建立了剩余寿命与温度积分P(u)、热解活化能E及绝缘失效温度Tf三个状态参量的关联关系，进而给出了高效求解模型状态参量的算法。验证结果表明，该文提出的温度积分算法在整个积分区间内的精度都优于现有温度积分结果，改进Flynn-Wall-Ozawa法可使活化能的计算精度提升2%。同时，由微观判定法得出有机硅凝胶样品的绝缘失效温度为453℃，此时失重率仅为3.4%，明显低于国标推荐的5%失重率，有助于建立更为合理的寿命失效判据。评估结果指出，温度对封装绝缘的影响较为显著，运行温度每升高10℃，绝缘寿命减少约60%。最后，通过有机硅凝胶加速热老化实验证明了使用该文所提模型进行寿命预测的准确性。上述研究结果可为封装绝缘的剩余寿命预测提供理论与方法基础。
关键词：封装绝缘 热失重分析 活化能 寿命预测
电力电子化是新型电力系统的发展趋势和主要特征，其中电能变换装备是实现能量转变与分配传输的重要物理支撑[1]。随着组成多能变换装备的电力电子器件逐步向高效率、大功率方向发展，高频致热效应也越加明显，芯片结温一般可达上百摄氏度[2]。其中，有机硅凝胶封装绝缘材料[3]长期运行于高温工况下，容易出现老化与劣化现象，严重时会引发绝缘失效和设备故障[4-5]。因此，科学地评估器件封装绝缘材料的运行性能和剩余寿命，对防止因绝缘老化而引发的器件或装备损坏，以及保证电力系统的安全稳定运行具有重要意义[6-7]。
目前，针对封装绝缘寿命评估的研究集中于介电性能与局部放电等电气参量导致的偶发性绝缘缺陷[8-11]，然而，对于长期受温度影响的整体热老化情况，依据上述方法往往难以做出有效的判断[12]。作为现有电气检测技术的拓展，基于绝缘材料热动力学本征属性的活化能研究，为上述问题提供了可能的解决方法与技术途径。美国学者T. W. Dakin在总结前人经验的基础上指出，聚合物绝缘的本征物理性能是其内部化学组分浓度的函数，其劣化过程符合化学反应速率方程，并从热反应动力学角度给出了温度与绝缘寿命的线性关系[13]。任鹏等在研究聚合物反应机理函数与反应速率关联规律的基础上，获得了活化能随老化时间的变化规律[14]，并以5%失重率作为失效判据，提出了一种环氧树脂绝缘材料的寿命预测方法。Zhang Yingsuo等将变温技术与热失重测试手段相结合，提出了热重点斜（Thermo-gravameric Point Slope, TPS）法，通过评估环氧树脂等14种材料在不同温度下的使用寿命，验证了评估方法的准确性与可复现性[15]。而对于器件封装绝缘材料，由高频方波、重复脉冲等复杂电压作用引起的电导损耗和极化损耗较大，使得其最高工作温度达150℃以上，相关研究亦表明高温过热会导致封装材料绝缘性能大幅下降[16]。封装材料在高温老化过程中，往往伴随着固体产物分子或离子的重建、气体产物从固体中扩散排出等多个反应，绝缘内部微观缺陷的产生和发展也与材料的劣化存在极为密切的关系[17]。因此，为准确地评估电力电子器件封装绝缘的剩余寿命，需在厘清有机硅凝胶封装材料老化裂解微观机制的基础上，建立其寿命与热动力学状态参量的关联关系。
然而，使用热解动力学理论评估封装绝缘材料的剩余寿命仍面临以下难题。首先，当前热动力学分析方法因采用截取式温度积分[18-19]，会导致求解封装材料的活化能等热力学参数存在较大误差，容易对材料当前的绝缘老化状态产生误判；然后，合理的寿命失效判据是实现剩余寿命有效预测的基础，目前大量以5%失重率作为寿命终止的判定准则对不同封装材料的有效性仍有待进一步验证。
为解决上述问题，本文推导出封装绝缘微观热解动力学表征模型，建立了绝缘寿命与温度积分、活化能、绝缘失效温度的关联关系，提出了模型中的三个热动力学状态参量的高效求解方法，解决了现有温度积分式近似不清、活化能计算精度差、寿命终止判定准则固定的问题，进而建立了一种高精度的封装绝缘寿命评估模型。最后以有机硅凝胶样品进行加速热老化实验，证明了本文所提模型寿命预测的有效性。
封装绝缘材料通常承受电-磁-热等多种耦合应力，其老化在本质上属于多种反应的复杂过程，包含热裂解反应、氧化反应等。因此，在描述封装材料的反应动力学问题时，可用物质反应的质量分数α随时间t变化的等温微分动力学方程[20]来描述。
（1）
式中，α为物质反应的质量分数，又称为反应转化率；t为时间；k为反应速率常数；f (α)为微分形式的反应机理函数；T为反应温度；β为升温速率，为实现时间积分到温度积分的变换所引入，β=dT/dt。
将式（1）分离变量并积分，得到
（2）
式中，G(α)为反应机理函数；
为封装材料剩余寿命。有机硅凝胶等封装材料是一种由固体硅氧烷网络和孔隙组成的多相体系，在热解过程中，硅凝胶内部的不同区域可能存在温度差异，将导致结构重排、粒子聚集、孔隙尺寸变化等相变反应，属于典型的非等温非均相体系[21-22]，可用Arrhenius方程来描述k与反应温度T之间的关系，表示为
（3）
式中，A为表观指前因子；E为材料当前状态的活化能；R为气体常数，R=8.314J/K。
联立式（2）和式（3）可得封装材料剩余寿命的初步表达式为
（4）
由式（4）可知，剩余寿命与G(α)、E、A有直接关系，但该式中仍缺乏寿命终止的有效判据。因此，有学者利用反应转化率α与失重率的关联关系，通过5%失重阈值来界定G(α)作为失效判据，但不一定适用于所有的封装材料。
为获得G(α)，首先需要得到微分形式的反应机理函数f (α)，联立式（1）～式（3）可得
（5）
将式（5）移项后，对两端同时积分即可获得封装材料反应机理函数G(α)的积分表达式为
（6）
式中，
为热失重实验起始温度；
为绝缘寿命终止温度。
由式（6）可得，封装材料的反应机理函数G(α)与右侧温度积分式存在等价关系。为获得封装材料在整个寿命区间的G(α)，需确定材料热失重过程中起始温度T0到绝缘寿命终止温度Tf的区间。一般来说，热失重实验的起始温度T0很低，认为低温条件下材料的热反应速率近似为0，则可忽略0～T0的温度积分值，而Tf需要通过实验进一步确定，整理可得
（7）
式中，u=E/(RTf)。
进一步将式（7）代入式（4），即可获得本文所推导出的封装绝缘材料微观动力学过程数学表征式为
（8）
封装绝缘的剩余使用寿命与温度积分表达式P(u)、热解活化能E与绝缘失效温度Tf密切相关，本节将给出这三个状态参量的高效求解方法。
温度积分P(u)直接影响封装绝缘剩余寿命的求解，为进一步提高温度积分P(u)的准确度，本文在研究温度积分展开表达式（9）后发现，当前温度积分近似式仅截取式（9）第4行括号中的前几项，是导致温度积分P(u)不精确的根本原因。
为进一步降低温度积分形式的复杂程度，本文舍弃根据级数以及分部积分表达式近似的传统方法，首先采取辛普森积分法对式（9）第4行括号内的部分进行编程求解，循环1 000次求得其在 u
(1, 100)时的数值解，计算精度可达10-13。综合考虑传统温度积分近似式以及精确值的变化趋势，选择式（10）所示的一阶四因子函数形式作为待拟合的温度积分式，采取Levenberg-Marquardt算法[23]对式（9）第4行的数值解进行曲线拟合。该方法可以有效地避免在计算迭代过程中陷入局部最优，保证在全区间内拥有较好的拟合效果。
（10）
式中，b、c、d、g均为拟合系数。
计算结果显示，低阶近似温度积分式的拟合优度可达99.99%，b、c、d、g的值分别为1.004、0.348、1.005、2.238，由此得到改进温度积分算法表达式为
（11）
相较于二阶温度积分式，该一阶表达式除了具有较高的精度外，还可以有效地降低传统温度积分的复杂度，在一定程度上减少了求解P(u)时的计算量。
活化能作为封装绝缘材料的本征属性，可充分体现材料自身的老化与劣化状态。因此，如何获取材料当前状态的活化能准确值对其寿命评估有着至关重要的作用。Flynn-Wall-Ozawa法作为多重升温速率法的一种经典方法，提供了一种不需设定反应机理函数就可以求解活化能的思路，避免了因反应机理函数不同而带来的计算误差，常被用于计算活化能的准确值。但Flynn-Wall-Ozawa法在推导中采用了Dloye温度积分近似式，将会给活化能的计算引入新的误差。为此，可在Flynn-Wall-Ozawa法中纳入本文提出的改进温度积分算法，以提高活化能计算的准确度。
首先，将式（7）与式（11）联立可得
（12）
两边取ln对数并移项，整理可得
（13）
由式（13）可发现，要整理成经典的Flynn-Wall-Ozawa方程形式需要对最右端的一项进行泰勒展开，并进一步约分化简，即可得到改进Flynn-Wall-Ozawa法的具体表达形式为
（14）
对于不同升温速率下的热失重曲线，在相同转化率α下，式（14）右侧第一项可视为一个定值，以ln(β/T 2)对1/T作图，通过最小二乘法拟合直线求斜率，即可获取封装材料当前状态活化能的准确值。
根据国家标准GB/T 11026.2—2012《电气绝缘材料耐热性第2部分：试验判断标准的选择》可知，判定电力电子器件内封装绝缘材料失效的常用判据为失重率达到5%[24]，该失重率下对应的温度即为绝缘失效温度。由老化试验结果发现，有机硅凝胶等封装材料因其优异的热稳定性，老化后的失重现象并不明显。再者，材料老化可能因分子侧链基团氧化等交联反应导致质量增加，也可能因为分子主链断裂与小分子物质挥发导致质量减小。因此统一采用5%失重率作为封装材料的绝缘失效判据将会使绝缘失效温度存在较大的误差，从而影响寿命评估的准确性。
实际上，封装材料老化及失效的根本原因为材料的分子结构在外界因素作用下发生了改变，特征官能团消散与分子链断裂将导致绝缘性能持续劣化。若要准确地判定材料的绝缘失效温度，需从其自身微观结构入手分析。有机硅凝胶材料的微观绝缘失效机理如图1所示，可以发现有机硅凝胶是由Si—O—Si键（1 000～1 100 cm-1）构成的密集网络，一方面可承受高温、高压和化学腐蚀等极端环境；另一方面因其密实的结构可阻挡电子的运动，是有机硅凝胶材料拥有优异电气绝缘性能的主要原因[25]。另外，诸多研究表明，在有机硅凝胶的热解过程中，硅氧烷分子主链的解聚重组反应是导致其失去绝缘性能的主要原因[26-27]，而该反应最明显的就是Si—O—Si基团数量发生显著变化[28]。
图1 有机硅凝胶的微观绝缘失效机理
Fig.1 Microscopic insulation failure mechanism of silicon gels
因此，结合热失重-红外联用（Thermo-Gravimetry-Infrared Radiation, TG-IR）实验观测Si—O—Si基团在温升中的数量变化情况，可获得有机硅凝胶封装材料较为准确的绝缘失效温度。一般来说，不同升温速率下的绝缘失效温度会有所差异，结合材料具体的应用场景和实验条件选择合适的升温速率进行实验尤为重要。根据国际标准IEC 60747-9相关规定[29]，实验时采用10℃/min的升温速率可以有效地评估IGBT在实际使用中的热稳定性能，并预测其寿命。因此，本文设定TG-IR实验的升温速率为10℃/min，温度区间为25～800℃，载气为空气。有机硅凝胶样品的TG-IR实验结果如图2所示。
图2 有机硅凝胶的TG-IR实验结果
Fig.2 Experimental results of TG-IR of silicone gel
为直观地表明有机硅凝胶中主要官能团随热解过程的变化情况，进一步绘制了有机硅凝胶热解产物随温度的变化如图3所示。由图3可见，首先发生的是侧链氧化降解反应，在264℃时开始检测到有机硅凝胶介质中出现挥发物，H2O、Si—O—Si、Si—CH3和Si—(CH3)2是有机硅凝胶分子侧链热降解产生的首批产物；随着温度升至311℃，CH2O、CO、CO2也逐渐产生；当温度到达345℃时，各种热解产物的数量达到峰值，这些产物主要来自甲基氧化和氧催化硅氧烷的少量解聚；当温度继续升高（365～450℃），主要发生硅氧烷主链的解聚重组反应，各热解产物又逐渐增加，其中Si—O—Si基团数量的增长格外显著，这是由硅氧烷主链发生解压缩反应和随机裂解反应产生的，被认为是有机硅凝胶失去绝缘性能的主要过程；而后随着温度继续增加，各热解产物的数量持续降低，当温度达到450℃左右时，Si—O—Si基团与其他产物的数量可忽略不计；且在继续升温至800℃的过程中，Si—O—Si基团的吸光度已趋近于0，可认为有机硅凝胶介质硅氧烷主链的解聚重组反应完全结束，此时有机硅凝胶已不再具备绝缘性能。
图3 有机硅凝胶热解产物随温度的变化
Fig.3 Variation of pyrolysis products of silicone gels with temperature
为准确地判断有机硅凝胶的绝缘失效温度，本文将Si—O—Si吸光度消失殆尽的时刻视为硅氧烷主链解聚重组反应完全结束，即有机硅凝胶不再拥有绝缘性能。通常认为吸光度低于0.01(au)时，材料中已不存在该化学官能团[30]。但需要注意的是，这只是一个大致的判断，具体情况还需要根据实验条件和样品特性进行具体分析。可将Si—O—Si基团吸光度随温度的变化视为函数r(T)，并取450～800℃的稳定区间范围内Si—O—Si基团吸光度的平均值
作为Si—O—Si基团完全消散的判据，求得= 0.007 12(au)，联立r(T)与即可获取绝缘失效温度为453℃，因此本文将453℃确定为有机硅凝胶的绝缘失效温度，具体计算式为
（15）
式中，Xi为450～800℃范围内某一温度i下Si—O—Si基团的吸光度；average(·)为取平均值。
为验证本文提出的封装绝缘寿命评估状态参量求解方法的有效性，本节以Huiruide公司生产的HZ901AB封装绝缘用有机硅凝胶为研究对象进行验证。
为评估改进温度积分算法的准确度，以辛普森积分法的计算结果作为精确值，在u∈(1, 100)的取值范围内，用温度积分近似值与精确值的百分偏差作为评估指标，表示为
（16）
其中，常用的温度积分近似式列于表1，改进温度积分与表1中温度积分的精确度对比如图4所示。
典型百分偏差时各温度积分式对应的u取值范围见表2。由图4和表2可见，改进温度积分式在u的大部分取值范围内都具有较高的精确度，且在u≤15时其精确度远优于其他大部分温度积分近似式。其中，大部分近似式在u≤5时呈现较大的误差，误差值在u趋近于0的过程中急剧增大，例如u=1时，RanⅠ与RanⅡ的百分偏差值分别达到32.7%与42.3%，而改进式仅为0.94%；在15＜u≤38的区间内，改进式的精确度略微差于RanⅡ近似式，而在其他区间范围内精确度均显著高于后者；在38＜u≤100的取值范围内，改进式的精确度显著高于Doyle、Coast Redfern等其他常用的近似式。
表1 常用温度积分近似式
Tab.1 Commonly used temperature integral approximation
近似式名称P(u)表达式 Doyle Coast Redfern Gorbatchev/Lee RanⅠ RanⅡ Zasko Agrawa 改进温度积分算法
图4 温度积分低阶近似算法的百分偏差
Fig.4 The percentage deviation of the temperature integral lower order approximation algorithm
表2 典型百分偏差时各温度积分式对应的u取值范围
Tab.2 Range of values of u corresponding to each temperature integral equation for typical percent deviation
近似表达式u的取值范围 δ＜0.1%δ＜1.0%δ＜10% Doyle—32～31, 46～4454～26 Coast Redfern≥96≥25≥7 Gorbatchev≥55≥12≥3 RanⅠ≥45≥4≥3 RanⅡ≥29≥7≥4 Zsako≥52≥1≥1 Agrawal≥35≥6≥4 改进温度积分≥34≥1≥1
综上所述，改进温度积分式在u∈(1, 100)的范围内偏差很小，准确度比表2所示的二阶表达式更高。并且，其改进式为形式简单的一阶近似式，在一定程度上减少了求解P(u)时的计算量。因此，改进温度积分式可有效地提高封装绝缘热力学参数的计算准确度。
为验证改进Flynn-Wall-Ozawa法的有效性，采用瑞士梅特勒-托利多公司生产的TGA-DSC3+同步热分析联用仪测试有机硅凝胶的热失重曲线。实验前控制阀门出口压力为0.1 MPa，通入高纯氮气 30 min，确保将炉中的气体排尽。通过热失重实验可获得有机硅凝胶材料在不同升温速率下的热失重曲线如图5a所示。
由图5a的热失重实验结果可发现，有机硅凝胶的热解过程可视为“单台阶”反应，仅存在一个活化能值。为保证计算结果准确可靠，本文设置5组热失重实验，对于5种升温速率下的热失重曲线，在相同转化率α下，式（14）右侧第一项可视为一个定值，以ln(β/T2)对1/T作图得到图5b，取转化率α从0.2至0.9的8条拟合直线并求其平均斜率，即可获取封装材料当前状态活化能的准确值为123.3 kJ/mol。同时，本文采用传统Flynn-Wall-Ozawa法求得其5次实验的平均活化能为125.8 kJ/mol。计算结果表明，运用改进温度积分式替代传统的Doyle温度积分近似式后，改进Flynn-Wall-Ozawa法的活化能计算准确度较传统方法提升了2%，有助于获取更加准确的有机硅凝胶封装绝缘老化与劣化状态。
图5 有机硅凝胶活化能具体求解方法
Fig.5 Specific solution for activation energy of silicone gel
图6展示了Si—O—Si基团吸光度与有机硅凝胶整体失重量随温度的变化关系，并给出了微观判定法与5%失重率下的绝缘失效温度对比情况。根据封装绝缘材料的推荐绝缘失效标准[24]可得，本文所制备的有机硅凝胶失重5%时所对应的温度为471℃，而由微观判定法得到的失效温度为453℃，失重率仅为3.4%，较国标降低了1.6个百分点。修正后的绝缘失效判据能够帮助学者们进一步掌握有机硅凝胶材料的失效情况，进行合理的绝缘状态评估，并提前发现绝缘故障，为科学地制定电力电子器件封装绝缘的状态检测策略提供了理论依据、方法支撑与技术规范。
图6 微观判定法与5%失重率下绝缘失效温度的对比
Fig.6 Comparison of insulation failure temperature under microscopic determination method and 5% weight loss rate
由以上分析可知，本文方法从有机硅凝胶封装材料的热解机理入手，发现硅氧烷主链的解聚重组反应是导致有机硅凝胶丧失绝缘性能的主要阶段，并且结合TG-IR实验得到的绝缘失效温度与绝缘失效判据相较于传统方法更加准确。
将前文推导出的改进温度积分式（11）代入式（8）可得
（17）
式（17）即为本文提出的封装绝缘剩余寿命评估模型。
通常，大部分IGBT器件工作的结温位于25～150℃，而低温下的绝缘问题并不突出，因此器件运行温度Tr取100～150℃。结合本文实验结果可知，有机硅凝胶样品的活化能和绝缘失效温度分别为123.3 kJ/mol和453℃，将上述数据代入式（17）即可得到本文所使用有机硅凝胶封装材料在该温度区间下的剩余寿命，见表3。
表3 不同运行温度下硅凝胶封装绝缘的剩余寿命
Tab.3 Service life of silicone gel package insulation at different temperatures
运行温度/℃有机硅凝胶剩余寿命/年 10050.3 11017.8 1206.7 1302.6 1401.1 1500.46
由表3可知，温度对有机硅凝胶封装材料的绝缘寿命有显著影响。随着IGBT运行温度的升高，封装绝缘的剩余使用寿命会显著下降，且每升高10℃，其寿命约降低60%。当运行温度为100℃时，硅凝胶封装绝缘的剩余使用寿命约为50.3年；当运行温度达到150℃时，封装绝缘的剩余使用寿命仅为0.46年。因此，为保证功率器件与电能变换装备的可靠性，一方面可采用高导热封装材料进行灌封，实现器件内部热量的快速导出；另一方面可对IGBT内部的结构和布局进行合理的优化设计，保证器件内部散热的高效性，二者协同可极大程度地提高功率器件与电能变换装备的使用寿命。
为验证本文所提寿命预测模型的有效性，制备了5组有机硅凝胶样品，在150℃下进行加速热老化实验，并利用式（18）计算各组样品的质量损失率。同时，将质量损失3.4%作为有机硅凝胶绝缘失效的判据。
（18）
式中，M为试样的质量损失率；m0为老化前试样的质量；mt为经过t时间老化后试样的质量。
加速热老化后各组样品的质量损失率见表4，发现5组样品的质量损失率随老化时间逐步增加，当老化至160天时，平均质量损失率达到3.52%，可判定绝缘失效时间介于150～160天内。同时，由表3计算结果可得，150℃下有机硅凝胶的剩余绝缘寿命约为0.46年（即168天），可见本文模型的寿命预测值与实验值贴近，验证了其有效性。
表4 150℃加速热老化下各组样品的质量损失率
Tab.4 Mass loss rate of each sample under accelerated thermal ageing at 150℃
时间/天质量损失率(%)寿命情况 样品1样品2样品3样品4样品5平均值 100.120.130.090.130.090.112未失效 400.570.690.510.580.660.602未失效 801.321.411.251.241.391.322未失效 1202.692.752.522.582.632.634未失效 1403.233.173.083.193.123.158未失效 1503.413.213.123.433.333.296未失效 1603.573.523.353.543.623.52失效 1703.643.653.553.863.873.714失效 1803.863.763.694.084.113.9失效 1903.913.983.774.144.214.002失效 2004.024.213.814.254.294.116失效
值得注意的是，本文所提的寿命评估方法是基于Arrhenius方程进一步推导而得，相较于现有封装绝缘内部局部放电、介质损耗等电气方面的检测与评估方法，本文提出的寿命评估方法具有以下优势：①该模型建立在硅凝胶材料的本征属性与微观失效机理上，具有一定的物理意义；②通过短时热失重与TG-IR实验获取活化能和绝缘失效温度，可将整个实验过程缩短至10 h以内，极大地提高了评估效率。本文通过对大功率电力电子器件封装绝缘进行绝缘状态评估，可为科学地制定功率器件的状态检测策略提供理论依据、方法支撑与技术规范，以期合理地安排功率器件或电能变换装备的检修和更新计划，保障新型电力系统的安全可靠与经济运行。
本文在传统热力学分析方法的基础上，推导出封装绝缘微观热解动力学表征模型，给出了模型中关键状态参量的高效求解方法，并对有机硅凝胶样品进行寿命评估，得到以下结论：
1）改进温度积分算法在u的整个取值区间内都具有较好的适用性和准确度，并且能够有效地降低应用时的计算复杂度。基于该算法，推导出改进Flynn-Wall-Ozawa方程，使有机硅凝胶的活化能求解精度较传统的Flynn-Wall-Ozawa方程提升了2%。
2）依据硅氧烷分子链特征官能团数量在温升中的变化情况，提出了一种封装材料绝缘失效温度的微观判定方法，得出有机硅凝胶样品的绝缘失效温度为453℃，失重率仅为3.4%，低于国标推荐下的5%失重率，有助于建立更为合理的绝缘寿命终止判据。
3）由评估结果可知温度对封装绝缘有显著影响，运行温度每升高10℃，寿命约减少60%。通过测试150℃下的有机硅凝胶加速热老化后的质量损失率发现，实际寿命失效时间与评估寿命失效时间相近，验证了本文寿命评估模型的有效性。
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Abstract Power electronics is a prominent aspect and critical characteristic of the emerging power system, wherein power conversion equipment plays a vital role in facilitating energy conversion and delivery. The power electronic devices used in multi-energy conversion equipment are being designed to focus on high efficiency and power capabilities. Additionally, the high-frequency thermogenic effect is becoming increasingly prominent. As a result, the chip junction temperature typically reaches several hundred degrees. The silicone gel package insulation material is susceptible to aging and degradation while operating in high-temperature circumstances for extended periods, which can result in insulation failure. To solve this problem, this paper derives a microscopic pyrolysis kinetic characterization model for encapsulated insulation, proposes an efficient solution method for the three thermodynamic state parameters in the model, and then establishes a high-precision package insulation life assessment model.
Firstly, this research presents a model that characterizes the kinetics of pyrolysis for silicone gels at a microscopic level. A link is established between the remaining life assessment and the temperature integral P(u), the pyrolysis activation energy E, and the insulation failure temperature Tf. Subsequently, a solution algorithm is provided to determine the model state parameters efficiently. The validation results demonstrate that the temperature integration algorithm proposed in this paper outperforms the existing temperature integration results across the entire integration interval. Additionally, the enhancement of the Flynn-Wall-Ozawa method leads to a 2% increase in the accuracy of the activation energy calculation. At the same time, the insulation failure temperature of the silicone gel sample is 453℃ by the microscopic determination method, and the weight loss rate is only 3.4%, which is lower than the weight loss rate of 5% recommended by the national standard. This finding contributes to establishing a more rational criterion for life failure. The evaluation results indicate that temperature substantially impacts the package insulation. Specifically, for every 10℃ rise in operating temperature, the insulation life decreases by around 60%. Finally, the accuracy of the life prediction model provided in this research is demonstrated by an accelerated thermal aging experiment using silicone gel.
The following conclusions can be drawn from the experiments analysis: (1) Utilizing an enhanced temperature integration algorithm, a refined Flynn-Wall-Ozawa equation is formulated, resulting in a 2% enhancement in the precision of determining the activation energy of silicone gels compared to the conventional Flynn-Wall-Ozawa equation. (2) This study proposes a microscopic approach to determine the temperature at which insulation failure occurs in package materials. The results show that the silicone gel sample had insulation failure at a temperature of 453℃, with a weight loss of only 3.4%. (3) The evaluation results indicate that the temperature substantially affects the insulation of the package. The lifetime of the package decreases by approximately 60% for every 10℃ increase in operating temperature.
keywords：Package insulation, thermal weight loss analysis, activation energy, lifetime prediction
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.240518
中图分类号：TM215
国家重点研发计划（2021YFB2601404）、国家自然科学基金（52177147, 52127812）、北京市自然科学基金（3232053）和中央高校基本科研业务费专项资金（2023JC005）资助项目。
收稿日期 2024-04-01
改稿日期 2024-04-28
王 伟 男，1996年生，博士研究生，研究方向为大功率电子器件封装绝缘寿命预测与老化状态评估。E-mail：wwncepu@163.cn
王 健 男，1985年生，副教授，博士生导师，研究方向为高电压与绝缘技术、放电物理等。E-mail：wangjian31791@ncepu.edu.cn（通信作者）
（编辑 李 冰）