隨著新能源汽車、智能電網(wǎng)等高端裝備向更高功率密度和更復(fù)雜工況演進(jìn)，功率模塊的長期可靠性正成為制約系統(tǒng)安全運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。4月8日，記者從西安建筑科技大學(xué)獲悉，該校機(jī)電工程學(xué)院電工超材料研究團(tuán)隊在功率電子封裝絕緣領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，針對高功率密度模塊在長期電熱應(yīng)力下封裝材料性能退化難題，提出一種基于有機(jī)電子受體改性無機(jī)填料的硅凝膠復(fù)合封裝方案（AO@NDA/SG），為高功率模塊構(gòu)筑起兼顧絕緣與散熱的“防護(hù)盾”。相關(guān)成果發(fā)表于國際權(quán)威期刊《電力電子學(xué)匯刊》。

當(dāng)前，以IGBT、碳化硅、氮化鎵為代表的功率器件正不斷向小型化、高溫化和高頻化發(fā)展。這對封裝材料的電絕緣性、導(dǎo)熱能力和長期穩(wěn)定性提出了更高要求。硅凝膠是目前廣泛使用的封裝材料，但在長期熱氧老化和高低溫循環(huán)沖擊下，其分子鏈易發(fā)生斷裂，交聯(lián)結(jié)構(gòu)退化，界面損傷累積，最終導(dǎo)致?lián)舸?qiáng)度下降和局部放電風(fēng)險上升。然而，既有研究多聚焦于材料本體的老化行為，對封裝材料與功率模塊在多應(yīng)力耦合作用下的協(xié)同失效機(jī)制關(guān)注不足，更缺乏能夠在電-熱性能之間取得平衡的系統(tǒng)性優(yōu)化策略。

針對上述難題，研究團(tuán)隊創(chuàng)新性地提出一種“有機(jī)包覆無機(jī)”的復(fù)合填料設(shè)計思路。他們選擇有機(jī)電子受體NDA對氧化鋁顆粒進(jìn)行表面包覆，并將其均勻分散于硅凝膠基體中，成功制備出AO@NDA/SG復(fù)合封裝材料。該材料不僅展現(xiàn)出更高的擊穿強(qiáng)度和導(dǎo)熱率，同時具備較低的熱膨脹系數(shù)。團(tuán)隊同步建立了從材料制備、多應(yīng)力老化實驗到性能表征與仿真驗證的一體化研究路徑，系統(tǒng)評估了封裝材料及全封裝功率模塊在熱氧老化和高低溫循環(huán)后的性能演變規(guī)律。

SG封裝材料老化失效機(jī)理

研究進(jìn)一步揭示了AO@NDA/SG復(fù)合封裝材料的抗老化機(jī)制。通過掃描電鏡、紅外光譜和X射線光電子能譜等多種手段，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，該材料能夠在填料與基體之間形成穩(wěn)定的C–Al化學(xué)鍵，從而有效抑制硅凝膠分子鏈的氧化斷裂以及Si–CH?基團(tuán)的降解。這一界面調(diào)控顯著減緩了老化過程中自由體積的擴(kuò)張和陷阱能級的劣化。實驗數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過500小時熱氧老化后，AO@NDA/SG的擊穿強(qiáng)度保留率高達(dá)91%，而純硅凝膠僅為76%。在全封裝模塊測試中，采用新方案的功率模塊局部放電起始電壓相比傳統(tǒng)封裝提升了26%。

多維度仿真驗證結(jié)果

與此同時，COMSOL多物理場仿真結(jié)果進(jìn)一步驗證了該方案在電場調(diào)控方面的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)模塊相比，該模塊在三結(jié)合點——即導(dǎo)體、絕緣體與氣體交界處的最大電場強(qiáng)度降低了26.4%，電場分布更加均勻，局部放電風(fēng)險得到顯著抑制。

“封裝材料的老化并非單一因素決定，而是熱、力、電多場耦合下的漸進(jìn)失效過程。我們通過有機(jī)-無機(jī)界面調(diào)控，使材料在長期服役中‘守住絕緣、疏導(dǎo)熱量’，為高功率模塊提供更可靠的‘防護(hù)盾’?！眻F(tuán)隊負(fù)責(zé)人王爭東教授表示。

未來，團(tuán)隊將進(jìn)一步探索該封裝方案在高壓、高頻寬禁帶功率模塊中的應(yīng)用適應(yīng)性，并結(jié)合在線監(jiān)測技術(shù)，構(gòu)建面向?qū)嶋H工況的封裝可靠性評估體系，為高功率密度電力電子系統(tǒng)的安全運行提供關(guān)鍵支撐。

（中國日報陜西記者站）

來源：中國日報網(wǎng)