华电学者改进有机硅凝胶的制备工艺，解决功率器件温度升高带来的硅凝胶气泡问题

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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。新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）、弗吉尼亚理工大学电气与计算机工程系的研究人员顼佳宇、李学宝、崔翔、毛塬、赵志斌，在2021年第2期《电工技术学报》上撰文，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。

近十年来，绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）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。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。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。

图1  典型的IGBT模块封装剖面示意图

材料的制备工艺将决定材料的性能，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。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，有待提出改进的有机硅凝胶制备工艺。

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，虽然在有机硅凝胶的耐电性能方面已开展了一些研究，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。

图2  有机硅凝胶制备脱气曲线

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，提升了有机硅凝胶的产品质量。

图3 有机硅凝胶工频耐电特性实验平台示意图

图4 有机硅凝胶的击穿现象及击穿通道

研究人员还分析了温度对有机硅凝胶工频耐电特性的影响规律，他们发现，在测试温度范围内，有机硅凝胶的击穿电压随温度的升高而下降；而当温度达到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。

研究人员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。

以上研究成果发表在2021年第2期《电工技术学报》，论文标题为“高压大功率IGBT器件封装用有机硅凝胶的制备工艺及耐电性”，作者为顼佳宇、李学宝 等。