高壓大功率IGBT器件封裝用有機硅凝膠的制備工藝及耐電性

頊佳宇 李學寶 崔 翔 毛 塬 趙志斌

高壓大功率IGBT器件封裝用有機硅凝膠的制備工藝及耐電性

頊佳宇1,2李學寶1崔 翔1毛 塬1趙志斌1

（1. 新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學）北京 102206 2. 弗吉尼亞理工大學電氣與計算機工程系 黑堡 24060）

有機硅凝膠憑借其優異的電絕緣和機械性能，廣泛應用于IGBT器件的封裝絕緣。該文詳細介紹有機硅凝膠的制備工藝，改進了脫氣曲線，解決傳統工藝制備的樣品在高溫下出現氣泡的問題。此外，考慮到IGBT器件在運行過程中產生大量的熱量，熱量作為副產物影響絕緣材料的性能，該文使用改進的脫氣曲線制備了有機硅凝膠樣品，通過實驗得出不同溫度下樣品擊穿電壓的韋伯分布，獲得溫度對有機硅凝膠工頻電擊穿的影響規律并分析影響機制。該研究將為硅凝膠在高壓IGBT功率器件的封裝設計中提供重要的實用信息。

有機硅凝膠 改進脫氣曲線 工頻電擊穿特性 熱性能 自由體積理論

0 引言

高壓大功率電力電子裝備可以實現電能的靈活變換與調控，是直流輸電技術中的關鍵裝備，而高壓大功率電力電子裝備的核心是高壓大功率電力電子器件[1]。絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）集高頻、高壓和大電流等優點于一身，是國際上公認的電力電子技術第三次革命最具代表性的產品[2]。

近十年來，IGBT器件從芯片設計、工藝、測試到器件封裝技術等方面均取得了重大進步[3]。在器件封裝方面，有機硅凝膠材料因其具有優良的耐溫、防水和電氣絕緣性能等，成為電子器件必不可少的封裝絕緣材料[4]。目前，硅基IGBT模塊灌封用的有機硅凝膠是一種雙組份加成型室溫或加溫硫化有機硅凝膠[5]。

材料的制備工藝將決定材料的性能[6]，使用性能優良的材料封裝大功率半導體模塊，有助于提升模塊的質量和可靠性。2012年，合肥工業大學的張浩研究了電子灌封膠的制備，介紹了硅橡膠材料的制備工藝[7]。2014年，株洲時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器件封裝用有機硅凝膠的制備及應用，分析了乙烯基硅油的黏度、鉑催化劑用量等因素對有機硅凝膠產品質量的影響情況[8]。2015年，中國工程物理研究院流體物理研究所的馮傳均等研究了有機硅凝膠用于灌封多級倍壓整流電路組成的高壓模塊的工藝，提出了原材料配比和均勻混合程度對有機硅凝膠成品具有重要的影響，應嚴格控制；分析了高壓模塊底部存在大量氣泡的原因主要是真空脫泡方式不合適以及封裝材料的流動性不好，提出灌封過程中環境溫度保持在25～30℃時效果最佳[9]。隨著半導體材料技術的突破，對功率器件電壓和頻率提出了更高的要求。更高電壓和更快開關頻率導致器件在工作過程中產生大量的熱量，熱量作為副產物影響了封裝材料的絕緣性能。基于目前工藝制備的有機硅凝膠灌封于IGBT模塊中時，當器件內部溫度升高到125℃時，有機硅凝膠內部將產生氣泡，并且隨著溫度升高，硅凝膠內的氣泡呈體積增大，數量增多的趨勢。絕緣材料中的氣泡將嚴重影響材料的絕緣性能[10]。2013年，東京大學M. Sato等研究了有機硅凝膠內氣泡的脫除過程，提出相同電壓作用下，存在氣泡的有機硅凝膠比不存在氣泡的有機硅凝膠材料在發生局部放電時，放電強度更大，光發射強度也更強[11]。基于現有的有機硅凝膠的制備方法，有待提出改進的制備工藝。

絕緣材料的擊穿特性直接反映材料的絕緣水平，擊穿場強是表征電介質絕緣特性的關鍵電氣參數。目前，溫度對固體和液體絕緣材料電擊穿性能的影響規律已有一些研究[12]，但是溫度對凝膠態物質的電擊穿特性認識尚不清楚。2007年，德國Kassel大學的G. Finis等測試了有機硅凝膠在(-40～100)℃下的擊穿電壓，實驗得出溫度低于0℃時，有機硅凝膠的擊穿電壓較溫度高于0℃時的擊穿電壓降低了一倍[13]。2008年，法國Grenoble大學M. T. Do等研究了針板電極結構下有機硅凝膠的擊穿場強，并將其測試結果與液體材料的擊穿特性進行對比，分析得出有機硅凝膠的擊穿特性與電極之間具有“尺度效應”[14]。2016年，ABB研究中心的J. Banaszczyk等測試了常溫下有機硅凝膠在棒-板電極結構下的交流介電擊穿特性[15]。關于有機硅凝膠的耐電性能已開展了一些研究，但溫度對有機硅凝膠材料工頻耐電特性的影響規律和影響機制尚不明確。

本文詳細地介紹了有機硅凝膠的灌封工藝，針對有機硅凝膠應用過程中存在的問題，提出新的脫氣曲線，改進有機硅凝膠的制備工藝；分析溫度對有機硅凝膠工頻耐電特性的影響規律。

1 有機硅凝膠的制備工藝

典型的焊接式IGBT模塊封裝剖面示意圖如圖1所示[16]。硅凝膠填充了模塊中的所有空隙，用于提高模塊的耐壓等級、密封模塊內各部件、保護芯片、防止潮濕等。

圖1 典型的IGBT模塊封裝剖面示意圖

高壓大功率IGBT模塊對灌封膠的要求主要有：①灌封膠材料絕緣強度高，足以保障芯片終端鈍化層及器件內部三結合點處等電場集中位置的絕緣；②灌封膠材料制備無副產物；③灌封膠材料具有一定的耐熱、防水、耐機械性能等[17]。由于材料的制備工藝決定材料的性能，因此需要對材料的制備工藝有所考究，嚴格控制制備過程，從而有效提升產品的質量，保障大功率半導體模塊的性能和壽命。

1.1 有機硅凝膠的成分

本文研究的雙組份加成型室溫硫化硅凝膠是一種商用硅凝膠。A組分為側鏈含氫硅油，作為交聯劑；B組分為聚甲基乙烯基硅氧烷，作為基礎硅油，并含有鉑催化劑。A、B組分的分子式如圖2所示。

圖2 A組分與B組分的分子式

有機硅凝膠是以無機硅氧烷鏈（Si-O-Si）為主鏈，有機含碳基團為側鏈形成的一種含有無機與有機成分的雜化聚合物。Si-O鍵鍵能為106kcal/mol，而C-C鍵鍵能為85kcal/mol，因此相較于含有C-C鍵的有機聚合物，有機硅凝膠具有更好的耐熱性和耐候性[18]。

1.2 有機硅凝膠的制備

隨著高壓大功率模塊內部結構的復雜化，灌封時氣泡難以徹底排除，導致硫化后形成的硅凝膠產品有氣泡殘留[19]。隨著模塊運行發熱，模塊溫度升高，導致氣泡擴大，而氣泡是絕緣的薄弱環節，氣泡的存在和擴張大大降低了有機硅凝膠的絕緣性能。有機硅凝膠的制備過程對有機硅凝膠產品的性能有影響，目前尚未對有機硅凝膠的制備工藝有詳細地介紹。本文搭建了有機硅凝膠制備平臺，實現了在萬級潔凈室內制備和灌封有機硅凝膠材料。針對目前有機硅凝膠制備工藝不透明，制備膠料脫氣難的問題，詳細介紹了硅凝膠的制備方法，并對傳統制備工藝的脫氣方案提出改進措施。

有機硅凝膠的制備主要包含三個部分：前期準備、A組分與B組分混合和脫氣固化處理。

1.2.1 前期準備

一般模塊表面會吸附一些無機物或有機物等，如空氣中的塵埃、人手指觸摸的油污等，這些物質將影響有機硅凝膠與模塊的粘接強度。由于有機硅凝膠熱膨脹系數較高，當模塊發熱或受熱時，會導致有機硅凝膠與模塊表面剝離，形成氣隙。為了保障硅凝膠與模塊的良好粘接，需要模塊表面完全浸潤硅凝膠，因此灌注前，首先需要對模塊進行超聲波清洗。采用超聲波清洗法是由于超聲波清潔程度較機械清洗的清潔程度高，超聲波清洗有助于處理模塊復雜結構中細縫低洼處的雜質物。清洗液選用乙醇或丙酮。丙酮可以使有機物溶脹，因此丙酮的清洗效果更佳，但是丙酮易燃、易揮發，屬于危險化學品，因此使用時應注意通風。超聲波清洗時間取決于模塊的復雜程度，模塊結構越復雜，超聲波清洗時間越長。對于焊接型IGBT模塊，一般清洗5～8min即可。

此外，模塊表面均有水分吸附，當模塊與有機硅凝膠界面存在水分時，水分降低了有機硅凝膠的粘接強度，此外，水分可以導電，容易形成導電通道，降低絕緣材料的絕緣性能。水分子的直徑較小，約為5pm，可以透入各種空隙中。因此，模塊清洗除雜后，需要對模塊進行烘干處理。烘干溫度不能超過模塊的最大耐受溫度，對于焊接型IGBT模塊，一般選80℃，烘干2h，冷卻到室溫后即可對模具灌封有機硅凝膠。

前期準備工作包含清洗和除水分兩方面，前期準備工作的意義在于保障模塊處于最佳灌封有機硅凝膠的狀態，有利于有機硅凝膠與模塊的良好浸潤。

1.2.2 A組分與B組分混合

圖3 A組分與B組分加成反應化學式

有機硅凝膠在硫化過程中，無應力收縮，硫化后保持柔軟、透明，便于觀察和維修。同時，有機硅聚合物分子的主鏈是一個扭曲的螺旋結構，分子幾乎完全被疏水性的甲基覆蓋，表面能很低，因此有機硅凝膠具有良好的疏水性。此外，有機硅凝膠的分子鏈結構高度對稱，是一種低極性聚合物，因而吸收的水分也很少。

圖4 A組分與B組分動態混合裝置

在灌注模塊前，需要先排膠，待出膠穩定，膠體中氣泡量較少時，再灌注到模塊中。A組分與B組分混合后注入球球電極結構模具，脫氣前狀態如圖5所示。

圖5 A組分與B組分混合后灌注于模具

1.2.3 脫氣固化處理

A組分與B組分動態混合時，難以避免有空氣進入膠液內，A組分與B組分混合后灌注于模具如圖5所示，脫氣前模具中存在肉眼可見氣泡。由于氣泡的介電常數較小，氣泡的存在會影響有機硅凝膠的絕緣性能，因此需要對混合液進行真空脫氣處理。此外，由于溫度會影響交聯反應速度，溫度越高，分子運動越劇烈，交聯反應越快，不利于氣泡的脫除，因此脫氣處理需要在常溫下進行。將模具放置于DZF-6090LC真空烘箱中，抽真空進行脫氣處理，脫氣過程模具內硅凝膠中的氣泡如圖6所示，真空烘箱常溫下最低壓強可達100Pa。

黏性液體中的氣泡運動是一個非常復雜的物理過程[21]，氣泡運動過程中受到浮力、張力、黏滯阻力、Basset力的作用，即

式中，ma為氣泡質量；v為氣泡運動速度；FV為浮力；FB為Besset力；FD為黏滯阻力；FI為黏性液慣性力。

隨著真空烘箱內氣壓逐漸降低，氣泡體積逐漸增大，氣泡上浮過程會出現形變和多氣泡融合，氣泡相互融合后，氣泡的體積增大；當氣泡運動至混合液表面時，氣泡與水交界面處的表面張力不足以維持氣泡形態，氣泡破裂。隨著脫氣過程的進行，混合液中氣泡含量越來越少，氣泡體積也越來越小。依據氣泡動力學[22]，氣泡尺寸較大時，雷諾數（Reynolds）較大，氣泡受到黏滯阻力作用可忽略，隨著氣泡上升，氣泡的體積增大，氣泡的運動速度加快。當氣泡的Reynolds低于混合液臨界Reynolds時，隨著氣泡上升，表面張力和黏性的影響都增強，導致氣泡的半徑逐漸減小，氣泡的運動速度逐漸降低。因此，隨著脫氣過程的進行，氣泡運動至混合液表面并成功破裂所需要的時間越來越長。由于有機硅凝膠制備的可操作時間是一定的，因此該脫氣過程不利于氣泡的徹底脫除，導致混合液固化后形成的硅凝膠在高溫下時，容易產生氣泡。

但當F2點發生交流側不對稱故障時，產生的零序電壓分量會穿過VSC經過直流線路到達對側接地點并引起直流側正負極電壓的工頻共模波動[11]，兩端系統的零序通路示意圖如圖3中虛線所示。

有機硅凝膠的A組分與B組分混合后，難以避免有空氣進入膠液，氣泡的介電常數較小，故氣泡的存在會大大降低有機硅凝膠的耐壓能力，因此有機硅凝膠固化前需要進行抽真空脫氣處理。一般脫氣過程進行5～6min后，混合液中的氣泡越來越少，氣泡體積也越來越小，氣泡運動速度緩慢。傳統脫氣方式是將有機硅凝膠置于真空箱中并抽真空至最低壓強后靜候氣泡完全脫除，經觀察，此脫氣方法無法導致最終氣泡完全脫除，180℃時模具內有機硅凝膠出現氣泡如圖7所示。將固化后的有機硅凝膠樣品放置于180℃的溫箱中時，有機硅凝膠內部出現多個氣泡，溫度降低時氣泡減小，溫度恢復到室溫一段時間后，氣泡消失。

圖7 180℃時模具內有機硅凝膠出現氣泡

針對傳統脫氣過程出現的問題，基于反復大量的實驗調試，提出改進脫氣曲線，即脫氣過程中適量增加泄壓環節，有機硅凝膠制備脫氣曲線如圖8所示。氣泡在混合液中運動時，氣泡與混合液界面存在相對滑動，一方面，隨著脫氣過程的進行，A組分與B組分的交聯反應程度增加，混合液的黏度也增加，運動至混合液表面的氣泡破裂所需的時間越來越長，多次泄壓可以促進表面氣泡破裂；另一方面，隨著脫氣過程的進行，混合液的雷諾數下降，依據氣泡動力學[22]，當氣泡的Reynolds低于混合液臨界Reynolds時，氣泡受到的黏滯阻力不可忽略，排氣泄壓后，混合液中的氣泡縮小，混合液的波動變緩，靜置后重新抽真空，氣泡向上運動的阻力降低，氣泡更容易脫除[23]。脫氣后，將模具置于溫箱中，并加溫到80℃，約3h后，混合液固化為有機硅凝膠。加溫時間取決于模具中混合液厚度，厚度越大，需要的加溫時間越長。

圖8 有機硅凝膠制備脫氣曲線

采用傳統脫氣曲線與采用改進脫氣曲線制備的有機硅凝膠樣品在180℃恒溫箱中處理后，樣品形貌情況如圖9所示。

實驗室內制備的有機硅凝膠產品的主要參數見表1。依據改進的脫氣曲線制備的有機硅凝膠，在200℃時內部未見氣泡產生。

圖9 兩種脫氣方案制備的有機硅凝膠經過180℃高溫處理后的效果

表1 有機硅凝膠的主要參數（23℃）

Tab.1 The main parameters of silicone gel at 23℃

改進的脫氣曲線增加了反復釋壓的操作，因此不可避免地造成額外的抽真空能耗。傳統脫氣曲線與改進脫氣曲線的制備過程均需約30min左右，故未增加時間成本。實驗時，采用批量化制備，真空烘箱可同時容納10個樣品進行抽真空脫氣操作，大大降低了每個樣品所需的能耗增量。此外，通過改進的工藝制備的有機硅凝膠樣品解決了氣泡問題，從而避免了高溫下有機硅凝膠絕緣水平的降低。

2 有機硅凝膠的耐電特性

絕緣材料擊穿是在電應力作用下導致材料內部絕緣性能嚴重損失，發生穿孔或出現碳化通道，并引起回路電流的現象。材料的電擊穿特性直觀反映了材料的電絕緣能力。本文搭建了有機硅凝膠工頻耐電特性實驗平臺，研究溫度對有機硅凝膠耐電特性的影響規律。

2.1 實驗設計

依據IEC 60243[24]標準設計實驗平臺如圖10所示，交流電壓源輸出電壓0～100kV，電壓畸變率小于2%，升壓速率2kV/s，升壓曲線如圖10所示。被測試品的模具容積為200mL，電極為銅制球球電極，電極直徑13mm，電極間距1mm。基于實驗室內制備的有機硅凝膠樣品，測試了不同溫度下有機硅凝膠的工頻耐電特性。

圖10 有機硅凝膠工頻耐電特性實驗平臺示意圖

球球電極結構下，擊穿場強近似計算公式為

2.2 實驗結果

圖11展示了有機硅凝膠的擊穿現象及擊穿通道。Ⅰ展示了發生擊穿瞬間，有機硅凝膠產生強烈的光信號；Ⅱ展示了放電發生后瞬間，球球電極間產生了氣泡，并且在顯微鏡下觀察了氣泡形態；擊穿后的樣品放置一段時間后，將進入Ⅲ狀態，球球電極間的氣泡變小；最終形成圖11中Ⅳ所示的電樹枝通道，此時硅凝膠喪失耐壓能力。

圖11 有機硅凝膠的擊穿現象及擊穿通道

絕緣材料的擊穿起始于材料內部絕緣弱點[25]，而聚合物中的缺陷是隨機分布的，因此聚合物的擊穿事件符合一定的統計規律，一般采用多個樣本，可通過概率分布統計法評估聚合物的擊穿電壓[26]。Weibull分布基于弱點擊穿理論構建，雙參數Weibull分布廣泛應用于分析絕緣材料的擊穿電壓。根據Weibull分布函數特征[27]，有機硅凝膠的擊穿電壓對應于63%累積概率處的擊穿電壓。Weibull分布的累積概率函數（Cumulative Probability Function, CDF）可表示為

式中，為累積概率密度分布函數；為63%對應的分位數，也稱為尺度參數，表示發生概率為63%的擊穿電壓值；為度量分散程度的Weibull指數，也稱為形狀參數，表示擊穿電壓的變化幅度，越大，其擊穿場強變化幅度越小；為有機硅凝膠的擊穿電壓。

測試了傳統脫氣曲線與改進脫氣曲線制備的有機硅凝膠樣品在200℃的恒溫箱中處理后的擊穿電壓值，通過式（3）計算Weibull分布得出累計概率密度曲線，200℃下制備工藝對有機硅凝膠擊穿電壓的影響如圖12所示。

圖12 200℃下制備工藝對有機硅凝膠擊穿電壓的影響

200℃下，原始制備工藝得到的有機硅凝膠樣品內出現氣泡，依據Weibull分布統計得到工頻耐受電壓為31.30kV；而改進的制備工藝得到的有機硅凝膠樣品在200℃下未見氣泡，工頻耐受電壓為35.34kV。對比兩種制備工藝獲得的有機硅凝膠樣品，改進的制備工藝使得有機硅凝膠樣品在200℃下耐壓能力提升了12.9%。

為獲得溫度對有機硅凝膠耐壓特性的影響規律，測試了不同溫度下有機硅凝膠的工頻擊穿電壓，依據式（3）計算Weibull分布，得出每個溫度點下的累計概率密度曲線如圖13所示。不同溫度下有機硅凝膠的Weibull分布參數見表2。

根據Weibull分布統計結果，獲得了不同溫度下，有機硅凝膠的擊穿場強，如圖14所示。從圖14可知，溫度對有機硅凝膠的絕緣性能有重要影響，隨著溫度升高，23～80℃之間，有機硅凝膠的擊穿場強有所降低，但降低程度較小；當溫度達到120℃左右時，有機硅凝膠的擊穿場強明顯下降；當溫度達到200℃時，有機硅凝膠的擊穿場強只有約常溫下的一半。

圖13 不同溫度下有機硅凝膠的Weibull分布

表2 不同溫度下的Weibull分布參數

Tab.2 Weibull distribution parameters under different temperature

圖14 不同溫度下有機硅凝膠的工頻擊穿場強

3 討論

溫度對有機硅凝膠的絕緣性能有重要影響，為分析其影響機理，測試了有機硅凝膠材料的熱特性，并結合聚合物自由體積理論分析了有機硅凝膠的耐電性受溫度的影響機制。

3.1 有機硅凝膠的熱性能分析

功率半導體模塊中的終端鈍化層與封裝材料對熱約束均很敏感，因此需要考究封裝材料的熱性能。材料的耐熱分解性主要與材料的網絡結構密切相關，當結構鏈段易于斷裂時，材料的熱分解行為就容易出現。本文測試了有機硅凝膠的熱失重（Thermo Gravimetric Analyzer, TGA）特性[28]，并對有機硅凝膠的TGA曲線求一階導數獲得有機硅凝膠的微商熱重（Differential Thermo Gravimetry, DTG）曲線，DTG曲線用于表征有機硅凝膠在不同溫度下的分解速度，如圖15所示，圖中，為有機硅凝膠樣品質量分數。

圖15 有機硅凝膠的熱失重和微商曲線

測試條件為：N2，升溫10℃/min。圖15中，A點為有機硅凝膠的初始分解溫度，但由于A點波動性較大，受諸多因素影響，因此，依據美國ASTM規定分解5%（即B點）和分解50%（即C點）兩點的直線與基線的延長線的交點（即D點）為分解溫度[29]。有機硅凝膠的熱失重特性見表3。

表3 有機硅凝膠的熱失重特性

Tab.3 Thermogravimetric characteristics of silicone gel

DTG曲線是有機硅凝膠量變化率與溫度的函數關系。根據DTG曲線可知：當溫度達到500～700℃時，有機硅凝膠分解速率較快，且溫度高于約800℃時，分解完成。

依據TGA測試結果可知，有機硅凝膠在187℃時開始出現分解，到200℃時，失重率為0.037 2%。因此，有機硅凝膠在200℃及以下，物化性能基本穩定。

為分析有機硅凝膠在測試溫度范圍內分子鏈段狀態變化情況，測試了有機硅凝膠的差式掃描熱量（Differential Scanning Calorimetry, DSC）測量圖譜，如圖16所示。

圖16 有機硅凝膠的DSC測量圖譜

依據DSC測試結果可知，在室溫到200℃內，有機硅凝膠的分子鏈段狀態不發生變化，結合有機硅凝膠的玻璃化溫度g大約為-150℃，可知有機硅凝膠在測試溫度范圍內，均處于高彈態。

3.2 溫度對有機硅凝膠耐電性影響的機理解釋

溫度對聚合物的擊穿場強有著重要影響，在不同溫度范圍內，擊穿機制也不同[30]。聚合物擊穿場強對溫度的依賴性如圖17所示。

圖17 聚合物擊穿場強對溫度的依賴性

圖17中，兩個臨界溫度1、2分別為聚合物的玻璃化轉變溫度和熔融溫度。當溫度處于玻璃化轉變溫度以下時，聚合物的擊穿場強與溫度無關；當溫度在兩個臨界溫度之間時，擊穿機制與電子碰撞電離或介質損耗導致的熱過程有關，擊穿場強與溫度呈負相關；當溫度高于熔融溫度時，Maxwell應力導致聚合物機械形變，擊穿場強隨溫度升高而驟降。在本文實驗溫度20～200℃范圍內，硅凝膠處于高彈態，因此其可能的機制都與熱作用有關。

固體和液體材料的體積包括兩個部分：①已經占據的占有體積；②未被占據的自由體積，即自由體積以“孔穴”形式分散于整個物質中的體積[31-32]。根據聚合物自由體積擊穿理論，溫度升高，自由體積增大，載流子的平均自由程增大，動能積累增加，分子鏈段運動加劇易斷裂，從而造成擊穿場強下降；同時，溫度升高，有機硅凝膠自由體積增大，內部載流子遷移率增加，載流子脫陷速度加快，漏電流增大，最終導致有機硅凝膠的耐電能力下降。

因此，溫度主要改變了有機硅凝膠材料內部的自由體積，最終影響有機硅凝膠的擊穿場強。

4 結論

本文主要研究了高壓大功率電力電子器件灌封用有機硅凝膠的制備工藝與溫度對有機硅凝膠工頻耐電特性的影響規律。主要結論如下：

1）詳述了有機硅凝膠的制備工藝，并提出了有機硅凝膠制備工藝的改進方法，提升了有機硅凝膠的產品質量。

2）在本文測試溫度范圍內，有機硅凝膠的擊穿電壓隨溫度的升高而下降。當溫度達到200℃時，擊穿場強降低為39.27kV/mm，約為常溫下擊穿場強值的一半。

3）測試了有機硅凝膠的熱特性，分析了溫度對有機硅凝膠工頻耐電特性的影響機制。溫度升高時，有機硅凝膠的自由體積增大，分子鏈段運動加劇；且有機硅凝膠內部載流子遷移率增大，漏電流增加，故溫度升高后，有機硅凝膠的擊穿電壓降低。

本文的工作將為硅凝膠在高壓IGBT功率器件的封裝設計提供重要的實用信息。

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Preparation Process and Breakdown Properties of Silicone Gel Used for the Encapsulation of IGBT Power Modules

1,21111

（1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power University Beijing 102206 China 2. Department of Electrical and Computer Engineering Virginia Tech Blacksburg 24060 USA）

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.

Silicone gel, improved degassing process, breakdown characteristic under power frequency, thermal performance, free volume theory

TM211

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200099

國家自然基金與國家智能電網聯合基金（U1766219）和中央高校基金（2019QN120）資助項目。

2020-02-04

2020-04-25

頊佳宇 女，1992年生，博士研究生，研究方向為高壓設備絕緣、高壓大功率電力電子器件封裝技術、有機硅凝膠絕緣能力評估。E-mail: ncepuxjy@163.com

李學寶 男，1988年生，博士，副教授，研究方向為電力系統的電磁環境和電磁兼容、高壓設備絕緣。E-mail: lxb08357@ncepu.edu.cn（通信作者）

（編輯 陳 誠）