【精彩论文】IGBT器件封装用有机硅凝胶宽频介电特性与温度影响

观点凝练

摘要：有机硅凝胶材料作为IGBT器件封装用绝缘材料，在器件的运行工况下，器件承受着重复性导通关断电压，对应频谱宽，且器件损耗将引起温度升高。为了能够准确分析器件内部电场特性，运用频域介电谱技术对有机硅凝胶在宽频、宽温度范围内的介电特性进行研究，利用叉指电极，实现对有机硅凝胶在不同温度下的宽频介电谱测试。采用Cole-Cole介电模型对实验数据进行拟合，并分析温度对Cole-Cole模型特征参量的影响规律。研究结果表明：频率和温度对有机硅凝胶的介电特性均有较大影响，在低频高温下，有机硅凝胶材料相对复介电常数的实部、虚部都显著增加。在所提取的Cole-Cole介电模型的特征参量中，直流电导率σ₀及特征参量Δε₁与温度之间的关系都满足Arrhenius方程，热活化能分别为0.233 eV与0.691 eV；弛豫时间τ₁和τ₂随温度的变化规律有所不同，但在高温时都明显增加。对半导体器件封装用有机硅凝胶材料介电特性的认知可以为器件内部电场分析和绝缘设计提供基础数据支撑。
结论：（1）本文采用叉指电极结构，解决了由于有机硅凝胶材料的黏弹性导致的介电特性难以测试的难题。通过实验测试与理论计算提取了叉指电极电容参数，对有机硅凝胶介电特性测试结果进行了校准，为准确获得有机硅凝胶介电特性的测试数据奠定了基础，针对有机硅凝胶在器件中的应用工况，实现了10 ℃~200 ℃下有机硅凝胶的宽频介电特性测试。

（2）测试结果表明：有机硅凝胶的相对复介电常数实部随频率降低而增大，虚部随频率降低先减小后增大；在高温低频下，相对复介电常数的实部与虚部都明显增加。复电模量形式下的Cole-Cole图表明，有机硅凝胶材料的极化弛豫过程偏离经典的Debye单一弛豫模型，结合有机硅凝胶相对复介电常数虚部频谱的特点，确定了有机硅凝胶的宽频介电谱能采用Cole-Cole模型进行表征。

（3）提取了10 ℃~200 ℃下有机硅凝胶的Cole-Cole模型的介电特征参量，并分析了温度对频域介电特征参量的影响规律，获得了各参量随温度变化的拟合关系，结果表明：有机硅凝胶介电特征参量中的直流电导率σ₀及弛豫强度Δε₁都随温度迅速增加，满足Arrhenius方程，所得热活化能分别为0.233 eV与0.691 eV；弛豫时间τ₁和τ₂随温度的变化规律不同，但在高温时都明显增加。

引文信息

毛塬, 李学宝, 顼佳宇, 等. IGBT器件封装用有机硅凝胶宽频介电特性与温度影响[J]. 中国电力, 2020, 53(12): 45-54.MAO Yuan, LI Xuebao, XU Jiayu, et al. Broadband dielectric properties and temperature effects of silicone gel for igbt device encapsulation[J]. Electric Power, 2020, 53(12): 45-54.

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编辑：杨彪

审核：许晓艳

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