王 昭，劉曜寧

（中車永濟電機有限公司半導(dǎo)體分公司，陜西 西安 710018）

BaTiO3復(fù)合硅膠對IGBT模塊內(nèi)部電場分布的影響

王 昭，劉曜寧

（中車永濟電機有限公司半導(dǎo)體分公司，陜西 西安 710018）

分析了IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)高壓功率模塊的內(nèi)部電場絕緣問題。模塊封裝中使用的硅膠的電場承受能力直接影響了整個模塊的絕緣表現(xiàn)，通過使用有限元分析方法，分析和確定了模塊中最大電場存在的位置。結(jié)果表明，影響局部放電最關(guān)鍵的部分就是被硅膠覆蓋的覆銅陶瓷基板，高的局部放電效應(yīng)會使得硅膠絕緣失效，最終導(dǎo)致IGBT模塊失效；最后提出了優(yōu)化解決方案。

IGBT模塊；硅膠；BaTiO3；有限元分析；電場模擬；局部放電

隨著近年來高壓IGBT模塊的發(fā)展和使用（電壓已達到6.5 kV），隨之而來的就是對模塊內(nèi)部絕緣介電材料性能要求的提高[1]。通常使用硅膠對IGBT模塊進行電氣絕緣保護，主要是因為它擁有良好的導(dǎo)熱、力學(xué)和電學(xué)性能。然而，在模塊電壓日益增大時，內(nèi)部局部電場過高就成為導(dǎo)致硅膠中產(chǎn)生局部放電或擊穿的重要原因之一[2-5]。目前可以通過以下兩個研究方向來緩解這一問題，一是研究新的耐壓能力更好的電介質(zhì)凝膠[6-8]；二是通過研究分析找到最大電場存在的位置，并通過模型結(jié)構(gòu)改進使電場得到改善，降低到電介質(zhì)材料所能容忍的限度[9-11]。

在IGBT模塊中有三個主要的介電部位，一是陶瓷基板，通常使用氧化鋁或氮化鋁（AlN）（本文中以氮化鋁展開研究）；二是封裝用的硅膠（Silicone Gel），其作用是防止模塊局部放電或擊穿；三是前面兩個介質(zhì)的界面處，通常這里也是IGBT功率模塊絕緣最薄弱的部分[12-15]。

陶瓷基板的質(zhì)量、硅膠的使用環(huán)境溫度和濕度是影響局部放電的重要因素，然而制約功率模塊局部放電最關(guān)鍵部位還是在陶瓷基底與銅金屬化層邊緣，因此在這個位置的硅膠就不僅僅是防止自身內(nèi)部放電，還有防止基板與電極邊緣放電的作用，而且有研究人員認為IGBT功率模塊局部放電的主要來源就是在基板和銅層與硅膠的界面處[16]。本文通過有限元分析的方法來分析功率模塊中最大電場存在的位置，并提出對硅膠摻雜改性來解決模塊內(nèi)部局部電場過高的現(xiàn)象，同時提出局部放電測試的驗證方法。

對工業(yè)產(chǎn)品來說，新材料和工藝的研發(fā)周期太長而且研發(fā)費用也比較高，因此，利用軟件進行產(chǎn)品工藝設(shè)計是一種高效率的解決方案。通過有限元分析方法可以模擬模塊中的電場強度分布，很容易就找到IGBT模塊中電場強度最大的位置。然而模擬也有它的局限性，因為實際產(chǎn)品中會存在焊接缺陷、空洞等因素，但是仍然可以通過電場模擬對比從整體上得出模塊絕緣比較薄弱的位置，因此它是一種高效的實驗驗證方案。

1 實驗建模

利用電場模擬方法來尋找功率模塊內(nèi)部高電場強度的分布位置，有益于優(yōu)化版圖結(jié)構(gòu)，從而得到最優(yōu)化的設(shè)計方案。通過模擬結(jié)果可以得到整個模塊內(nèi)部的電場分布情況，有效降低產(chǎn)品的開發(fā)成本。

本文仿真使用Ansoft Maxwell 3D電磁場仿真軟件，它并不是專業(yè)半導(dǎo)體模擬軟件，但它被廣泛應(yīng)用在以電磁分析為目的的各種應(yīng)用場景下。

圖1為IGBT模塊的截面示意圖，然后根據(jù)實際生產(chǎn)中使用的覆銅陶瓷基板（DBC）尺寸，構(gòu)建一個上下兩層銅金屬化層覆蓋的氮化鋁（AlN）陶瓷基板模型，如圖2所示。

圖1 典型IGBT模塊截面圖Fig.1 Typical cross section view of IGBT module

圖2 DBC基板結(jié)構(gòu)和仿真模型Fig.2 DBC figure of structure and simulation model

在進行電場仿真時，對集電極銅層上施加高電壓，發(fā)射極銅層接地，仿真在50 Hz的頻率下進行。在對IGBT模塊電場仿真時，將整個模塊簡化為DBC基板和硅膠，這是因為 Maxwell不能進行專業(yè)的半導(dǎo)體特性的模擬，所以當(dāng)把DBC上方芯片看作有介電常數(shù)和阻抗的半導(dǎo)體硅的時候，硅芯片表面上的電場強度幾乎和銅層上是一致的，當(dāng)然這是相對較為理想的一種仿真狀態(tài)，因為其忽略了芯片中可能存在的某些特殊結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

以6.5 kV IGBT模塊模型為例，當(dāng)在集電極銅電極施加6.5 kV電壓，發(fā)射極接地，電場強度的峰值主要集中出現(xiàn)在AlN基板和銅金屬化層的界面邊緣處，從圖 3DBC基板表面電場分布的有限元分析結(jié)果可以很明顯看出。

圖3 DBC基板表面電場分布圖（6.5 kV電壓時）Fig.3 Electric field distribution map of DBC surface (under 6.5 kV)

AlN基板與銅金屬化層界面邊緣的高電場很容易導(dǎo)致功率模塊局部放電測試時失效擊穿，而降低邊緣電場的一種有效方法就是通過對介質(zhì)的硅膠進行改性或替換新的介質(zhì)材料，使其達到提高局部放電時的耐壓和提高功率模塊可靠性的目的。

目前來看，使用具有介電非線性的新型材料（介電常數(shù)隨外加電場變化）來充當(dāng)絕緣填充介質(zhì)，這可能是緩解AlN基板與銅金屬化層界面邊緣高電場的一個很好的選擇[17-19]。

研究發(fā)現(xiàn)，對用于封裝的硅膠進行鐵電陶瓷粉體填充后，其在外加一定電場時，分散在硅膠內(nèi)部的鐵電顆粒會發(fā)生自發(fā)極化和電疇分布，這種增強的極化現(xiàn)象就會使得鐵電顆粒硅膠這種復(fù)合材料的介電常數(shù)增加。同時在復(fù)合體系中，復(fù)合材料的居里溫度（鐵電體發(fā)生相變的溫度點）會遠高于IGBT模塊工作的最大結(jié)溫 150 ℃，因此不用擔(dān)心復(fù)合硅膠材料會產(chǎn)生自發(fā)極化突然消失的情況。重要的是，這種介電可調(diào)的效應(yīng)或機理只能在交流電場條件下實現(xiàn)，符合功率模塊的工況。

研究發(fā)現(xiàn)使用鈦酸鋇（BaTiO3）陶瓷粉體作為與硅膠的復(fù)合材料時，鈦酸鋇粉體與硅膠的復(fù)合并不會明顯改變硅膠本身的粘性和固化特性[6]。在使用鈦酸鋇粉料填充的硅膠注入模塊前，首先對其介電性能進行分析測試，主要針對復(fù)合材料的介電常數(shù)、耐壓和介電可調(diào)特性測試。室溫條件下，硅膠的介電常數(shù)為2.9，鈦酸鋇的介電常數(shù)為1 700左右，介質(zhì)材料復(fù)合介電常數(shù)理想公式為：

式中：f為混合的體積比；εi為摻入的陶瓷粉體的介電常數(shù)；εm為硅膠的介電常數(shù)。通過計算可以得到，在鈦酸鋇陶瓷粉以 15%體積比均勻混入硅膠后，通過計算得到復(fù)合硅膠體系的理論有效介電常數(shù)εeff為5.42，相比純硅膠的介電常數(shù)提升非常大。有研究人員通過實驗發(fā)現(xiàn)，此復(fù)合硅膠體系材料實際通過偏置電壓測試，可得到的相對介電常數(shù)隨電場強度的變化關(guān)系為[6]：

也就是說，當(dāng)復(fù)合硅膠處于較高的偏置電場時，它的介電常數(shù)也會隨之增大。

若純硅膠的介電常數(shù)為2.9，而混有粉體的硅膠因為界面邊緣處的高電場導(dǎo)致介電常數(shù)增加為15左右，為了更深入分析模塊內(nèi)分別注入純硅膠和摻雜改性硅膠后，銅金屬化層和AlN陶瓷界面邊緣電場的變化情況，利用Maxwell 3D軟件同時對這兩種條件下的電場分布情況進行仿真，通過仿真可以得到IGBT模塊橫截面處電勢分布情況如圖4所示，從圖中可以明顯看出，在復(fù)合硅膠中電勢的彌散過程更加快速，同時在銅金屬化層和AlN陶瓷的界面邊緣處，電場強度的下降也比較明顯，可以有效降低界面邊緣處的電場強度。

圖5所示為DBC基板橫截面AlN表面電場強度從左到右的變化曲線，從注入不同硅膠模型的仿真結(jié)果可以看出，在AlN和銅金屬化層界面邊緣處的最大電場強度由9.96 MV/m降低到8.16 MV/m，電場強度峰值降低達 18%，所以通過使用復(fù)合硅膠注入，可以有效改善銅金屬化層和AlN界面邊緣處的電場分布，從而提高器件絕緣和局部放電性能，有效提高功率模塊的可靠性。復(fù)合硅膠與純硅膠相比擁有較高的介電常數(shù)，而且通過對硅膠的復(fù)合改性來實現(xiàn)功率模塊中的電場降低也必將會是 IGBT功率模塊商品化的發(fā)展趨勢之一。

圖4 純硅膠和復(fù)合硅膠中電勢分布圖Fig.4 Voltage distribution maps for silicone gel and silicone composite

圖5 在純硅膠和復(fù)合硅膠中AlN基片表面電場強度對比Fig.5 The comparison of electric field strength on AlN surface in silicone gel and silicone composite

影響局部放電最關(guān)鍵的部分就是被硅膠覆蓋的覆銅陶瓷基板，承受高電壓基板產(chǎn)生的高電場強度會引起硅膠中產(chǎn)生局部電場放電的現(xiàn)象，高的局部放電效應(yīng)會使得硅膠絕緣失效，最終導(dǎo)致IGBT模塊絕緣失效，可靠性降低。

圖6為IGBT模塊局部放電測試圖。先使用1.5 Vmrms的交流電壓1 min，然后電壓降至1.1 Vmrms保持30 s，在1.1 Vmrms測試循環(huán)的最后5 s，局部放電的電荷積累必須小于10 pC。局部放電測試的操作頻率必須是50 Hz或60 Hz。對于6.5 kV IGBT模塊，局部放電的測試電壓為5.1 kV rms。

圖6 IGBT模塊局部放電測試循環(huán)（依據(jù)IEC 1287標(biāo)準）Fig.6 Test cycle for determining the partial discharge strength for IGBT module (according to IEC 1287)

3 結(jié)論

通過使用有限元分析方法，分析和得到了IGBT功率模塊中最大電場出現(xiàn)的位置，同時提出了使用硅膠復(fù)合改性的方法來解決局部電場過高的問題。仿真結(jié)果表明，復(fù)合硅膠因其較高的介電常數(shù)可以明顯抑制陶瓷基板與銅金屬化層界面邊緣的的電場強度，從而有效提高模塊在絕緣和局部放電時的表現(xiàn)，提高了IGBT功率模塊的可靠性。

[1] MUTO H, SHIOTA H, HASEGAWA T. Insulation technology for power semiconductor modules [C]// International Symposium on Electrical Insulating Materials. NY, USA: IEEE, 2008: 671.

[2] FABIAN J H, HARTMANN S, HAMIDI A. Analysis of insulation failure modes in high power IGBT modules [C]// IAS Annual Meeting. 2005: 799-805.

[3] DO M T, LESAINT O, AUGE J L. Partial discharges and streamers in silicone gel used to encapsulate power electronic components [C]// Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 2007. NY, USA: IEEE, 2007: 155-158.

[4] DO M T, AUGE J L, LESAINT O. Partial discharges in silicone gel in the temperature range 20-150 ℃ [J]. IEEE Conf Electr Insul Dielectr Phenom, 2006: 590-593.

[5] LEBEY T, MALEC D, DINCULESCU S, et al. Partial discharges phenomenon in high voltage power modules [J]. IEEE Trans Dielectric Electr Insul, 2006, 13(4): 810-819.

[6] WANG N, COTTON I, ROBERTSON J, et al. Partial discharge control in a power electronic module using high permittivity non-linear dielectrics [J]. IEEE Trans Dielectr Electr Insul, 2010, 17(4): 1319-1326.

[7] LI Z, OKAMOTO K, OHKI Y, et al. The role of nano and micro particles on partial discharge and breakdown strength in epoxy composites [J]. IEEE Trans Dielectr Electr Insul, 2011, 18(3): 675-681.

[8] DO M T, AUGE J L, VU T A T, et al. Partial discharges in dielectric liquids [C]// Electrical Insulating Materials, 2008, International Symposium on. NY, USA: IEEE, 2008: 226-229.

[9] MITIC G, LICHT T, LEFRANC G. IGBT module technology with high partial discharge resistance [C]// IAS Annual Meeting. NY, USA: IEEE, 2001: 1899-1904.

[10] DONZEL L, SCHUDERER J. Nonlinear resistive electric field control for power electronic modules [J]. IEEE Trans Dielectr Electr Insul, 2012, 19(19): 955-959.

[11] TIPTON C W, IBITAYO D, URCIUOLI D, et al. Development of a 15 kV bridge rectifier module using 4H-SiC junction-barrier Schottky diodes [J]. IEEE Trans Dielectr Electr Insul, 2011, 18(4): 1137-1142.

[12] AUGE J L, LESAINT O, THI A T V. Partial discharges in ceramic substrates embedded in liquids and gels [J]. IEEE Trans Dielectr Electr Insul, 2013, 20(1): 262-274.

[13] VU T A T, AUGE J L, LESAINT O, et al. Partial discharges in aluminium nitrite ceramic substrates [C]// IEEE International Conference on Solid Dielectrics. NY, USA: IEEE, 2010: 1-4.

[14] FABIAN J, HARTMANN S, HAMIDI A. Partial discharge failure analysis of ain substrates for IGBT modules [J]. Microelectron Reliab, 2004, 44(9/10/11): 1425-1430.

[15] DUTARDE E, DINCULESCU S, LEBEY T. On some electrical characteristics of AlN and Al2O3[J]. IEEE Trans Dielectr Electr Insul, 2000: 172-175.

[16] BAYER C F, BAER E, WALTRICH U, et al. Simulation of the electric field strength in the vicinity of metallization edges on dielectric substrates [J]. IEEE Trans Dielectr Electr Insul, 2015, 22(1): 257-265.

[17] HAERTLING G H. Ferroelectric ceramics: history and technology [J]. J Am Ceram Soc, 1999, 82(4): 797-818.

[18] CURECHERIU L, BUSCAGLIA M T, BUSCAGLIA V, et al. Grain size effect on the nonlinear dielectric properties of barium titanate ceramics [J]. Appl Phys Lett, 2011, 97(24): 242909.1-242909.3.

[19] ROBERTSON J, HALL D A. Nonlinear dielectric properties of particulate barium titanate polymer composites [J]. J Phys Appl Phys, 2008, 41(11): 1441-1446.

（編輯：陳渝生）

Influences of BaTiO3composite silicone gel on electric field distribution in IGBT modules

WANG Zhao, LIU Yaoning

(Semiconductors Branch, CRRC Yongji Electric Co., Ltd, Xi’an 710018, China)

The inner electric field insulation problem of IGBT high voltage power module was analyzed. The electric field bearing capabilities of the silica gels used in the power module encapsulation directly affect the module insulation. The locations of max electric field were analyzed and ensured. Results show that the key part to affect local discharge is direct bonding copper plate covered by silicone gel. High partial discharge effect can make silicone gel insulation failure and result in IGBT modules failure. Finally, the optimal solution was proposed.

IGBT module; silicone gel; BaTiO3; finite element analysis; electric field simulation; partial discharge

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.12.015

TM215.92

A

1001-2028（2016）12-0067-04

2016-10-10

王昭

王昭（1987-），男，陜西西安人，博士，主要從事IGBT模塊封裝和工藝研究，E-mail: wangz_crrc@163.com ；

劉曜寧（1988-），男，山西永濟人，碩士，研究方向為IGBT模塊焊接工藝，E-mail: 365317813@qq.com 。

時間：2016-11-29 11:41:41

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161129.1141.015.html