华北电力大学刘东明、李学宝 等：高压SiC器件封装用有机硅弹性体高温宽频介电特性分析
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李学宝
华北电力大学电气与电子工程学院副教授，是本文通讯作者，主要研究领域为高压大功率电力电子器件封装。目前主持国家自然科学基金项目2项。发表SCI/EI收录论文60余篇，其中以第一或通信作者发表/录用SCI论文30篇，获省部级一等奖3项；现任《High Voltage》副编辑、中国电机工程学会电工理论与新技术专业委员会第八届委员会秘书长等。
团队隶属于新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），团队学术带头人为崔翔教授。自2012起围绕高压大功率电力电子器件国产化研制与全球能源互联网研究院有限公司合作开展研究，聚焦高压（3.3kV以上）Si、SiC基MOSFET和IGBT器件封装领域，围绕芯片建模与特性分析、多芯片并联均流、封装绝缘特性分析以及封装中的多物理场分析与调控等问题，支撑高压大功率IGBT器件国产化研制。承担的国家项目包括国家自然科学基金-智能电网联合基金重点项目1项、面上项目1项、国家重点研发计划课题1项以及子课题4项。
有机硅弹性体具有优异耐高温绝缘性能与稳定的物理化学性质，广泛应用于高压SiC功率器件封装绝缘中。新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)的研究人员刘东明、李学宝、顼佳宇、毛塬、赵志斌，在2021年第12期《电工技术学报》上撰文，详细介绍了有机硅弹性体的制备方式与基础理化特性，获得了有机硅弹性体在高温宽频条件下的介电特性，利用改进分段Cole-Cole模型对有机硅弹性体介电参数进行了有效提取，获得了温度与频率对有机硅弹性体介电特性影响规律与机理。该研究为SiC功率器件的封装设计提供关键的数据支撑。
近年来，随着功率器件高频化、大功率化与微型化的发展趋势，SiC功率器件在高压、高温、高频条件下展现出极大优势，成为了新一代功率器件的不二选择。
严苛的工况对封装绝缘材料提出了更高的要求，有机硅弹性体具有耐超高温、防水、防腐蚀与良好的电气绝缘性能，成为了SiC功率器件灌封绝缘材料的首选。同时，由于SiC功率器件运行温度可达250℃，承受电压高频分量可达10MHz，有机硅弹性体在如此高的频率和温度范围内的介电特性将会极大影响SiC器件内部电场分布，因此研究有机硅弹性体在高温、高频下的介电特性具有重要意义。
器件封装绝缘材料的性能决定了器件应用的范围，国内外研究学者针对有机硅弹性体的介电损耗、介电强度与局放阈值进行了一定的研究。但目前，有机硅弹性体制备方式尚不明确，其理化特性尚不清晰，缺乏高温、高频范围下的介电特性的研究。
针对以上问题，华北电力大学的研究人员详细地研究了有机硅弹性体的制备方式，提出分次逐步脱气方式，获得了状态良好的有机硅弹性体试品，并发现其在280℃以下性能稳定。
图1 有机硅弹性体样品
图2 有机硅弹性体热重曲线
研究人员考虑到SiC器件实际工况，利用介电谱测量了20~200℃、10-2-107Hz范围内的有机硅弹性体介电特性，并分析了温度与频率对有机硅弹性体介电过程的影响规律。
他们发现在测试温度范围内，有机硅弹性体表现出高频介电稳定过程、直流电导过程、介电弛豫过程、低频弥散过程与电荷扩散过程五种不同的介电响应过程，其中温度和频率对低频弥散过程与电荷扩散过程影响显著，温度越高，两者强度越大，同样，频率越低，两者强度也有上升。
图3 有机硅弹性体介电特性
同时根据有机硅弹性体介电特性测试结果，研究人员提出了分段式改进Cole-Cole模型对有机硅弹性体介电数据进行拟合，提出了包含低频弥散过程与电荷扩散过程的Cole-Cole模型表达式，再基于最小二乘原理，给出各参数初值提取方法，建立了目标函数，获得了良好的拟合效果。
根据有机硅弹性体改进的Cole-Cole模型拟合数据，研究人员发现直流电导率、弛豫强度与低频弥散强度和温度的变化规律满足Arrhenius方程规律，随温度升高呈上升趋势；高频介电常数随温度升高呈现线性下降规律；弛豫时间随温度上升呈指数型下降趋势，可利用双势阱模型进行解释。
图4 温度对有机硅弹性体介电参数影响
引用本文
刘东明, 李学宝, 顼佳宇, 毛塬, 赵志斌. 高压SiC器件封装用有机硅弹性体高温宽频介电特性分析[J]. 电工技术学报, 2021, 36(12): 2548-2559. Liu Dongming, Li Xuebao, Xu Jiayu, Mao Yuan, Zhao Zhibin. Analysis of High Temperature Wide Band Dielectric Properties of Organic Silicone Elastomer for High Voltage SiC Device Packaging. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(12): 2548-2559.
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201088