團隊介紹

李學寶

華北電力大學電氣與電子工程學院副教授，是本文通訊作者，主要研究領域為高壓大功率電力電子器件封裝。目前主持國家自然科學基金專案2項。發表SCI/EI收錄論文60餘篇，其中以第一或通訊作者發表/錄用SCI論文30篇，獲省部級一等獎3項；現任《High Voltage》副編輯、中國電機工程學會電工理論與新技術專業委員會第八屆委員會秘書長等。

團隊隸屬於新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學），團隊學術帶頭人為崔翔教授。自2012起圍繞高壓大功率電力電子器件國產化研製與全球能源網際網路研究院有限公司合作開展研究，聚焦高壓（3.3kV以上）Si、SiC基MOSFET和IGBT器件封裝領域，圍繞晶片建模與特性分析、多晶片並聯均流、封裝絕緣特性分析以及封裝中的多物理場分析與調控等問題，支撐高壓大功率IGBT器件國產化研製。承擔的國家專案包括國家自然科學基金-智慧電網聯合基金重點專案1項、面上專案1項、國家重點研發計劃課題1項以及子課題4項。

有機矽彈性體具有優異耐高溫絕緣效能與穩定的物理化學性質，廣泛應用於高壓SiC功率器件封裝絕緣中。新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)的研究人員劉東明、李學寶、頊佳宇、毛塬、趙志斌，在2021年第12期《電工技術學報》上撰文，詳細介紹了有機矽彈性體的製備方式與基礎理化特性，獲得了有機矽彈性體在高溫寬頻條件下的介電特性，利用改進分段Cole-Cole模型對有機矽彈性體介電引數進行了有效提取，獲得了溫度與頻率對有機矽彈性體介電特性影響規律與機理。該研究為SiC功率器件的封裝設計提供關鍵的資料支撐。

近年來，隨著功率器件高頻化、大功率化與微型化的發展趨勢，SiC功率器件在高壓、高溫、高頻條件下展現出極大優勢，成為了新一代功率器件的不二選擇。

嚴苛的工況對封裝絕緣材料提出了更高的要求，有機矽彈性體具有耐超高溫、防水、防腐蝕與良好的電氣絕緣效能，成為了SiC功率器件灌封絕緣材料的首選。同時，由於SiC功率器件執行溫度可達250℃，承受電壓高頻分量可達10MHz，有機矽彈性體在如此高的頻率和溫度範圍內的介電特性將會極大影響SiC器件內部電場分佈，因此研究有機矽彈性體在高溫、高頻下的介電特性具有重要意義。

器件封裝絕緣材料的效能決定了器件應用的範圍，國內外研究學者針對有機矽彈性體的介電損耗、介電強度與局放閾值進行了一定的研究。但目前，有機矽彈性體制備方式尚不明確，其理化特性尚不清晰，缺乏高溫、高頻範圍下的介電特性的研究。

針對以上問題，華北電力大學的研究人員詳細地研究了有機矽彈性體的製備方式，提出分次逐步脫氣方式，獲得了狀態良好的有機矽彈性體試品，並發現其在280℃以下效能穩定。

圖1 有機矽彈性體樣品

圖2 有機矽彈性體熱重曲線

研究人員考慮到SiC器件實際工況，利用介電譜測量了20~200℃、10-2-107Hz範圍內的有機矽彈性體介電特性，並分析了溫度與頻率對有機矽彈性體介電過程的影響規律。

他們發現在測試溫度範圍內，有機矽彈性體表現出高頻介電穩定過程、直流電導過程、介電弛豫過程、低頻彌散過程與電荷擴散過程五種不同的介電響應過程，其中溫度和頻率對低頻彌散過程與電荷擴散過程影響顯著，溫度越高，兩者強度越大，同樣，頻率越低，兩者強度也有上升。

圖3 有機矽彈性體介電特性

同時根據有機矽彈性體介電特性測試結果，研究人員提出了分段式改進Cole-Cole模型對有機矽彈性體介電資料進行擬合，提出了包含低頻彌散過程與電荷擴散過程的Cole-Cole模型表示式，再基於最小二乘原理，給出各引數初值提取方法，建立了目標函式，獲得了良好的擬合效果。

根據有機矽彈性體改進的Cole-Cole模型擬合數據，研究人員發現直流電導率、弛豫強度與低頻彌散強度和溫度的變化規律滿足Arrhenius方程規律，隨溫度升高呈上升趨勢；高頻介電常數隨溫度升高呈現線性下降規律；弛豫時間隨溫度上升呈指數型下降趨勢，可利用雙勢阱模型進行解釋。

圖4 溫度對有機矽彈性體介電引數影響

引用本文

劉東明, 李學寶, 頊佳宇, 毛塬, 趙志斌. 高壓SiC器件封裝用有機矽彈性體高溫寬頻介電特性分析[J]. 電工技術學報, 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.