轉(zhuǎn)自半導體在線

（原文來源：中國電機工程學報

上海交通大學 李文藝，王亞林，尹毅）

摘要：

隨著高壓功率模塊在直流輸電、高速鐵路和新能源發(fā)電等領(lǐng)域的普及和應(yīng)用，高壓功率模塊的可靠性問題將越來越突出。本文闡述了高壓功率模塊封裝結(jié)構(gòu)、絕緣材料、放電檢測、失效機理以及可靠性改進等方面研究的最新進展。首先，針對現(xiàn)有的高壓功率模塊封裝結(jié)構(gòu)，分析了廣泛應(yīng)用的高壓硅基IGBT和SiC MOSFET模塊的封裝結(jié)構(gòu)以及高壓功率模塊封裝絕緣材料的類型與特性。隨后評述了高壓功率模塊封裝絕緣的老化和失效機理以及現(xiàn)有的局部放電評估標準和測量方法。此外，總結(jié)了高壓功率模塊封裝絕緣可靠性改進的方法。在綜述的基礎(chǔ)上，結(jié)合高壓功率模塊小型化、集成化、耐高溫化的發(fā)展趨勢，指出了高壓功率模塊封裝絕緣的主要威脅、挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢。

0 引言

近年來，功率芯片和模塊的研發(fā)取得了長足的進步。功率器件和模塊的高壓化、大功率化、高功率密度化是未來重要的發(fā)展方向。目前硅（Si）基半導體芯片的性能已達到材料的理論極限，新一代寬禁帶（Wide Band Gap，WBG）半導體材料，例如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），由于具有比 Si更好的電、機械和熱性能而逐漸成為研究熱點。用WBG 半導體代替 Si 基半導體可以承受更高的擊穿電壓，實現(xiàn)更快的開關(guān)速度，更低的開關(guān)損耗和更高的工作溫度。因此，具有出色性能的 WBG 功率器件和模塊被廣泛用于汽車電機驅(qū)動、油氣鉆探和提取、航空電子電源和軍事等領(lǐng)域。

然而，受封裝技術(shù)研發(fā)的限制，現(xiàn)有的高壓功率模塊生產(chǎn)商諸如Cree和Infineon等公司可提供的SiC 或 GaN功率模塊產(chǎn)品的工作電壓和工作溫度遠未達到寬禁帶半導體材料的極限參數(shù)。雖然科研人員已經(jīng)成功在實驗室研發(fā)出 15 kV 的 SiCMOSFET 以及 20 kV 的 SiC IGBT 芯片和模塊，但封裝技術(shù)的不足卻放慢了高壓寬禁帶功率模塊投入市場的腳步，需要解決的瓶頸問題之一就是高壓功率模塊封裝材料在多物理場耦合應(yīng)力作用下的可靠性問題。加入功率半導體行業(yè)交流群，加VX：tuoke08。在工業(yè)應(yīng)用過程中，與封裝相關(guān)的失效形式主要包括冷熱循環(huán)造成的焊料層開裂、基板金屬層與陶瓷層開裂以及局部放電發(fā)展所造成的絕緣擊穿等，與封裝相關(guān)的失效在功率模塊所有的失效形式中占據(jù)很大的比例。為提高電能轉(zhuǎn)換效率、增加功率密度以及降低系統(tǒng)投入成本，高壓功率模塊的尺寸越來越小，工作電壓和工作溫度卻越來越高，直接導致封裝絕緣材料承受更大的電應(yīng)力和熱應(yīng)力，這對封裝材料的絕緣性能提出了更高的要求。

本文重點就高壓功率模塊的封裝結(jié)構(gòu)與絕緣材料、封裝絕緣失效機理與試驗方法以及封裝絕緣可靠性改進 3 個關(guān)鍵方面對現(xiàn)有的高壓功率模塊的封裝絕緣研究進行了分析與梳理，并總結(jié)高壓功率模塊封裝絕緣所面臨的機遇和挑戰(zhàn)。

1 典型高壓功率模塊的封裝結(jié)構(gòu)

由于應(yīng)用場合與設(shè)計目標的多樣性，功率模塊針對不同的使用要求具有多種多樣的結(jié)構(gòu)。一般來說，功率模塊的封裝結(jié)構(gòu)主要可以分為鍵合線型和非鍵合線型。鍵合線型功率模塊通常具有較高的寄生電感。寄生電感在開關(guān)器件的快速開關(guān)過程中造成電壓過沖，進而導致瞬態(tài)電壓升高、損耗增加和強的電磁干擾等問題，威脅高壓功率模塊封裝絕緣的可靠性。雜散參數(shù)與開關(guān)換流回路的拓撲和封裝結(jié)構(gòu)有關(guān)，金屬鍵合連接方式、元件引腳以及多個芯片的布局方式是影響寄生電感的重要因素。

為了降低模塊封裝中的寄生電感，一些研究人員選擇倒裝芯片技術(shù)和低溫燒結(jié)陶瓷技術(shù)降低通態(tài)電阻；用印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）與直接覆銅陶瓷基板（Direct Bonding Copper，DBC）結(jié)合、DBC 與 DBC 結(jié)合或者柔性 PCB與 DBC 結(jié)合形成混合封裝模塊；采用端子直連的焊接方法實現(xiàn)與電源板直接鍵合；采用SiPLIT 結(jié)構(gòu)實現(xiàn)平面互連；將電源開關(guān)和控制器、芯片嵌入到模塊中形成集成式模塊；用雙面冷卻結(jié)構(gòu)來降低熱阻和寄生參數(shù)；用 3D 結(jié)構(gòu)實現(xiàn)極低的寄生電感（小于 1nH）。然而，迄今為止，這些低電感封裝主要在額定電壓為1.2kV 或更低的 Si 和 SiC 模塊上應(yīng)用。對于高壓功率模塊封裝優(yōu)化設(shè)計的研究很有限。

1.1 鍵合線型高壓功率模塊

鍵合線型功率模塊由于研發(fā)歷史久，技術(shù)成熟，成本低，在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。鍵合線型功率模塊的封裝結(jié)構(gòu)通常包括功率芯片（chips）、鍵合線（bond wire）、基板（substrate，也有翻譯成襯底）、焊料（solder）、底板（baseplate）和灌封（encapsulant）等，如圖 1 所示。高壓功率模塊的主要封裝絕緣材料包括灌封絕緣材料和基板絕緣材料。具有不同電位的基板金屬電極相隔一段絕緣距離覆蓋在基板陶瓷上，灌封絕緣材料同時包裹基板金屬電極和基板陶瓷，因此基板金屬電極、基板陶瓷和灌封絕緣構(gòu)成了不均勻電場下的“三固體”絕緣結(jié)構(gòu)。基板金屬、基板陶瓷和灌封絕緣三結(jié)合點處由于幾何結(jié)構(gòu)的原因?qū)е码妶龌冏顕乐兀植糠烹姾屠匣F(xiàn)象容易在該部位發(fā)生，最終導致絕緣失效。

1.1.1 鍵合線型 SiC MOSFET 高壓功率模塊

2010 年，Wolfspeed 公司發(fā)布了第一個商用10kV、120A SiC MOSFET 模塊。模塊使用 24 個 SiCMOSFET和12個肖特基二極管焊接在AlN基板上，DBC 焊盤直接鍍鎳用于管芯附著和引線鍵合。然而，該功率模塊并聯(lián)芯片的功率環(huán)路電感的不對稱導致了顯著的動態(tài)電流不平衡。此外，鍵合線型封裝結(jié)構(gòu)的回路電感和雜散電容較大，限制了模塊的工作性能。

此后，Wolfspeed 開發(fā)了第三代模塊化、低電感、低熱阻的 10kV SiC MOSFET 模塊。端子沿封裝對稱分布，減少了并聯(lián)芯片之間的功率回路電感不對稱，通過最小化功率環(huán)路長度以降低模塊寄生電感。此外，還采用高熱導率的封裝材料來降低模塊的熱阻。第三代功率模塊相比第一代性能有了明顯的改進，電流密度增加了一倍，結(jié)殼熱電阻幾乎減少了一半，分布式電源端子結(jié)構(gòu)使得功率環(huán)路電感低了 57%。但是該產(chǎn)品仍然具有改進的空間：

整個功率回路的寄生電感仍然有 16nH，寄生電感帶來的問題仍然存在；

第三代模塊的面積只比第一代小 5%，基板寄生電容仍很大，導致開關(guān)過程中高 dv/dt 產(chǎn)生較大的電磁干擾和電壓過沖，進而影響絕緣可靠性。

1.1.2 鍵合線型 Si 基 IGBT 高壓功率模塊

相比于 SiC MOSFET 功率模塊，Si 基 IGBT 高壓模塊發(fā)展較早，價格較低，應(yīng)用更為廣泛。ABB公司采用高壓軟穿通（SPT）技術(shù)研究了一種運用在 3.3kV 和 6.5kV IGBT 模塊中的 HiPakTM封裝結(jié)構(gòu)。SPT 結(jié)構(gòu)保證了良好的開關(guān)可控性和軟開斷波形，不需要 dV/dt 或峰值電壓限制器（例如緩沖器或箝位電路），允許更高的開關(guān)速度，從而產(chǎn)生更低的開關(guān)損耗。為了降低雜散電感，ABB 公司又開發(fā)了一種 3.3kV LinPak 半橋模塊，可以容納盡可能多的芯片，不僅大大降低了雜散電感，還將電流密度提高了 14%。但目前 LinPak 結(jié)構(gòu)還未能在更高電壓的功率模塊中得到應(yīng)用[48-49]。

1.2 非鍵合線型高壓功率模塊

非鍵合線型高壓功率模塊相比鍵合線型，具有耐受電流大、散熱性能好、寄生參數(shù)小等特點。非鍵合線型高壓功率模塊的封裝形式主要分為焊接式和壓接式兩種，焊接式結(jié)構(gòu)使用金屬塊直接將芯片兩面和基板金屬導體焊接起來，往往利用互感抵消等技術(shù)減小寄生參數(shù)。壓接式則利用彈力來平衡模塊內(nèi)部的壓力，保證模塊內(nèi)部芯片間的對稱性，保持電流均衡。

1.2.1 焊接式高壓功率模塊

弗吉尼亞理工大學設(shè)計了一種高密度、無引線鍵合的焊接式 10kV SiC MOSFET 半橋模塊。每個MOSFET 對的正上方都有一組去耦電容來提供低電感高頻環(huán)路。該模塊使用鉬柱和直接鍵合鋁的基板代替引線鍵合將芯片互連的三維結(jié)構(gòu)。由此測量流出功率模塊的共模電流減少了十倍，并且封裝絕緣的局部放電起始電壓提高了 53%，模塊功率回路和驅(qū)動回路電感分別為 4.4nH 和 3.8nH。這種布置還具有提供屏蔽以減小電容耦合引起的共模干擾的優(yōu)點。

1.2.2 壓接式高壓功率模塊

壓接式封裝也使用金屬塊引出芯片的不同電極，但是模塊中不存在任何釬焊及金屬線鍵合，所有的電氣連接均由封裝壓力完成，如圖 2 所示。因此，壓接式封裝減小了鍵合線引入的雜散電感。相較于鍵合線式封裝模塊，彈簧壓接式功率模塊表現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能。每個芯片單獨配備了壓接彈簧保證其鉗位壓力相等，芯片之間實現(xiàn)良好的均流，便于多模塊的串聯(lián)堆疊[。不同于鍵合線式封裝絕緣結(jié)構(gòu)采用灌封膠作為絕緣介質(zhì)，壓接式封裝絕緣結(jié)構(gòu)中通常采用氣體固體混合絕緣。氣體介質(zhì)的絕緣強度一般低于固體介質(zhì)，并且壓接式高壓功率模塊同時受到外施壓力和熱應(yīng)力的作用，內(nèi)部耦合問題十分復(fù)雜，因此可能導致壓接式封裝的絕緣設(shè)計難度更大。

1.3 高壓功率模塊的封裝絕緣材料

除了高壓功率模塊的封裝結(jié)構(gòu)，封裝材料的機械、熱和電特性也會隨著使用環(huán)境發(fā)生變化，對模塊絕緣性能和可靠性產(chǎn)生很大的影響。功率模塊使用的封裝絕緣材料主要包括基板和灌封絕緣材料。

1.3.1 基板材料

基板為功率模塊提供絕緣和機械支撐，隔離電路的各種導電路徑，同時基板必須具備良好的導熱性能，從而能有效消散元件工作過程中產(chǎn)生的熱量。功率模塊基板由金屬和絕緣層（一般為陶瓷層）組成，表 1 列出了四種常用的基板材料以及與SiC 的性能對比。

Al2O3 陶瓷制作技術(shù)成熟且便宜，熱膨脹系數(shù)（coefficient of thermal expansion，CTE）相對較大，介電常數(shù)高，但是相比其他陶瓷材料，熱導率很低，因此在高功率密度系統(tǒng)中不利于散熱；BeO 陶瓷制作技術(shù)也很成熟，熱導率最高，但是在加工過程中形成的粉塵顆粒具有毒性，對人體和環(huán)境有害；AlN陶瓷相對來說是一種比較安全和有前景的材料，其導熱性僅次于 BeO，遠遠高于 Al2O3，并且它的 CTE與 SiC 接近，匹配性更強，抗彎強度和熱循環(huán)壽命與 Al2O3 相似；Si3N4 是應(yīng)用歷史較短的新材料，它的 CTE 與 SiC 匹配的最好，機械斷裂韌性最高，其高抗彎強度使其在熱循環(huán)過程中可以與厚銅板搭配，承載大電流而不容易斷裂。

1.3.2 灌封材料

灌封材料的作用是保護芯片和金屬互連部分免受惡劣環(huán)境如濕氣、化學物質(zhì)等的影響，并且在導體之間提供額外的絕緣保護，同時也可以作為散熱介質(zhì)。表 2 列出了一些常用的灌封材料及其特性。硅凝膠是使用最廣泛的灌封材料，但是它只能在250°C 內(nèi)長期使用。為了提升硅凝膠的耐溫特性，研究人員使用無機填料或改性的有機硅彈性體作為灌封絕緣，可以承受高于 250°C 的溫度。一些聚合物例如聚酰亞胺（PI）和聚對二甲苯（Parylene）也被用作芯片表面的鈍化劑，以防止芯片外絕緣在高壓情況下被擊穿。另外，環(huán)氧樹脂等熱固性材料具有足夠的機械強度，也被用作硬灌封材料。然而，硬灌封材料在熱循環(huán)過程中經(jīng)常會出現(xiàn)裂紋缺陷，而軟密封劑在高溫下會出現(xiàn)熱不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此灌封材料的選擇常常在熱穩(wěn)定性和柔軟性之間進行權(quán)衡。隨著高壓功率模塊的發(fā)展，需要研究適用于高電壓等級功率模塊的封裝絕緣材料和封裝技術(shù)。

2 高壓功率模塊封裝絕緣的老化和失效

如前所述，施加高壓導致絕緣材料放電老化是影響高壓功率模塊的可靠性問題之一。局部放電是封裝絕緣老化并導致失效的重要原因。需要指出的是，封裝絕緣的失效也與環(huán)境因素如溫度、濕度和氣壓等密切相關(guān)，限于篇幅，本文只討論導致絕緣失效的直接原因即放電行為。

2.1 高壓電力電子模塊封裝絕緣局放產(chǎn)生機理

基板金屬電極、基板陶瓷絕緣和灌封絕緣共同構(gòu)成的“三固體”絕緣結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的電力設(shè)備諸如變壓器和電纜的絕緣形式有所差別，帶有不同電位的金屬電極平行布置于陶瓷基板上，陶瓷基板和灌封絕緣形成的固體-固體界面處的電場既有平行于界面方向的分量也有垂直于界面方向的分量，三種材料的結(jié)合點位置往往是局部電場集中的位置。此外，在模塊生產(chǎn)制造過程中也可能在陶瓷和金屬層界面處引入空隙等缺陷，降低了局部放電的起始放電電壓。

除了傳統(tǒng)的由固體絕緣中引入氣體缺陷而導致局部放電外，固體絕緣中的空間電荷積累也是導致封裝絕緣中局部放電發(fā)生的重要原因。如前所述，常見的高壓功率半橋模塊內(nèi)部一般包含多個開關(guān)芯片（MOSFET 或 IGBT），由于體寄生二極管和外并聯(lián)二極管的存在，開關(guān)芯片諸如 MOSFET 在關(guān)斷時漏極承受的電位高于源極，開通時漏極和源極的電位幾乎相等，因此隔離不同電位的封裝絕緣材料往往承受單極性的方波電壓或直流電壓。在單極性的方波電壓和直流電壓作用下，由三結(jié)合點處形成的自由電荷容易被陷阱捕獲而形成空間電荷。受陷電荷在平行于界面的電場作用下又可能發(fā)生脫陷，并向?qū)γ骐姌O遷移，在遷移過程中不斷發(fā)生入陷、脫陷和復(fù)合等過程，并伴隨著電荷能量的變化。三結(jié)合點處的空間電荷的輸運行為直接導致了封裝絕緣內(nèi)電場分布的動態(tài)變化，進而影響放電的發(fā)生。空間電荷是影響高壓功率模塊封裝絕緣失效的重要原因之一，但目前對于該方面的研究報道很少。

本文作者對功率模塊的硅凝膠灌封絕緣材料的空間電荷特性進行了測量，樣品中空間電荷時空分布如圖 3 所示。隨著施加電場的增加，空間電荷的注入深度增加，并且更多同極性電荷在陰極和陽極附近積累。值得注意的是，即使在短路后，仍然還有相當多的電荷，這表明即使經(jīng)過很長時間，空間電荷也很難從陷阱中逸出。隨著施加電壓的增加和電荷注入的增強，試樣內(nèi)部的最大電場強度超過外施電場強度，電場畸變越來越嚴重。當三結(jié)合點處發(fā)生受空間電荷積聚而產(chǎn)生嚴重的電場畸變，或者由于金屬連接線端部曲率半徑過小而導致電場集中，以及在硅膠中或者硅膠與陶瓷基板間產(chǎn)生微氣孔或氣隙時，局部放電將難以避免。

當發(fā)生局部放電時，放電通道所在位置的溫度非常高，導致放電通道附近的硅膠降解成氣態(tài)產(chǎn)物，從而引起更大范圍絕緣強度下降，最終導致絕緣失效。另外，環(huán)境條件對局部放電也有一定的影響，有研究表明，隨著溫度從 20 ℃升高到 100 ℃，封裝硅凝膠的局部放電起始電壓大幅度降低。

2.2 高壓功率模塊封裝絕緣系統(tǒng)的評估標準與局部放電測量方法

2.2.1 高壓功率模塊封裝絕緣系統(tǒng)的評估標準

專門針對在 1.5 kV 以上的電壓下工作的功率模塊絕緣評估標準較少，目前只有 IEC 61278-1 對用于鐵路機車牽引的功率模塊提出局部放電評估標準。標準規(guī)定對功率模塊施加幅值為 1.5 倍的模塊最大阻斷電壓的均方根或者更高的交流均方根電壓，模塊的局部放電幅值不得超過 10 pC。但是 IEC 61278-1 中規(guī)定的實驗在交流正弦波下進行，很多學者已發(fā)現(xiàn)方波下的局部放電行為諸如局部放電起始電壓和放電頻率與正弦波下不同，因此現(xiàn)有標準不能充分評估模塊在脈沖寬度調(diào)制（PWM）方波應(yīng)力下的絕緣可靠性。

此外，IEC 61287-1 規(guī)定功率模塊的所有端子都需要被短路并施加高電壓，底板接地。但這種方法只測試了基板陶瓷的絕緣能力，封裝絕緣的其他部分如灌封絕緣并沒有得到有效評估[64]。為此，有研究者提出了一種新的測試標準，測試電壓為疊加在直流電壓上的交流電壓，施加在兩個功率端子之間，并在柵極施加負偏壓保證關(guān)斷（如圖 4）。該測試雖然可以部分提供在正常運行時可能出現(xiàn)的局部放電信息，但也增加了雪崩擊穿和二極管反向?qū)ǖ娘L險，而且這種方法也并不能完全代表逆變器中功率模塊承受的方波應(yīng)力。因此目前針對高壓功率模塊還沒有一個統(tǒng)一的標準來評估封裝絕緣可靠性，這也是未來亟待解決的問題之一。

2.2.2 方波下高壓功率模塊封裝絕緣局部放電的測量方法

高壓功率模塊工作在方波電壓下，器件的開關(guān)過程十分迅速，在開斷過程中電壓幅值的變化率非常大，將產(chǎn)生較大的位移電流并在空間內(nèi)激發(fā)頻率可達幾 GHz 的高頻電磁波，對目前局部放電測量廣泛使用的脈沖電流法和特高頻（UHF）法造成極大的干擾，甚至可能掩蓋原有的局部放電信號，使用傳統(tǒng)的方法對方波下高壓功率模塊封裝絕緣的局部放電進行測量具有一定的難度和挑戰(zhàn)性。

目前測量方波下局部放電的方法主要有電學法和非電學法等[64]。國內(nèi)有學者利用特高頻法，對變頻電機漆包線絞線進行局部放電測試，分別在不同重復(fù)頻率短脈沖及方波電壓下檢測放電幅值和相位；也有研究人員在直流下檢測 IGBT 模塊的局部放電，對電壓和電流進行綜合波形分析探討電壓和絕緣結(jié)構(gòu)對放電性能的影響，可以鑒別直流電壓下 IGBT 模塊局部放電的原因[70]；有學者分別在方波脈沖下和工頻下對匝間絕緣電磁線在老化與未老化情況下進行了局部放電測量，對兩種情況下局部放電的相位分布特征并對比；此外，國內(nèi)外研究者們發(fā)現(xiàn)重復(fù)電壓脈沖/方波的特性影響著局部放電特性，即使在相同的峰值電壓和頻率的情況下，局部放電參數(shù)如起始放電電壓（PDIV）也可能與正弦電壓下的測量結(jié)果有很大的不同。對于50 Hz 正弦波形和 50 Hz 基頻脈寬調(diào)制（PWM）波形的局部放電，發(fā)現(xiàn)在相同幅值下正弦波形未檢測出局部放電，而脈寬調(diào)制波形下卻存在強烈的放電活動。為了解決傳統(tǒng)局部放電檢測技術(shù)難以測量開關(guān)電場下的局部放電的問題，本文作者提出了如圖5所示的基于超高頻SHF和下混頻技術(shù)的方波下功率模塊封裝絕緣局部放電檢測方法，通過檢測頻率 3 GHz 及以上的局部放電信號，以避開功率模塊開通和關(guān)斷形成的電磁干擾以及手機等移動設(shè)備的通訊信號造成的干擾，從而提高了測量結(jié)果的可靠性。此外，使用的下混頻技術(shù)將 SHF 頻段的局部放電信號頻譜搬移到較低頻段，大大降低了對采樣設(shè)備的要求，適合在現(xiàn)場帶電檢測中應(yīng)用。局部放電的非電學方法具有有效避免電磁干擾的優(yōu)點。ABB 公司設(shè)計了一種記錄場致發(fā)光和局部放電光斑的光學局部放電檢測裝置（如圖 6），電致發(fā)光測量和光學局部放電檢查分別可以用來識別高電場的關(guān)鍵區(qū)域和局部放電故障的直接原因（如突起或者不規(guī)則邊緣形狀等）；國外學者設(shè)計了一套能夠通過改變脈沖轉(zhuǎn)換速率的模擬工作模式下的局部放電的實驗裝置，研究不同電壓波形下的局部放電，利用常規(guī)電學技術(shù)和光學技術(shù)成功記錄了IGBT 絕緣在不同電壓下的局部放電行為，記錄了壓力和電壓波形的影響，結(jié)果表明電壓轉(zhuǎn)換速率在影響局部放電起始放電電壓的因素中占主導地位；也有學者采用光學局部放電測量技術(shù)，在固體正弦電壓、緩慢上升電壓和快速上升的方波電壓下的局部放電，結(jié)果顯示快速上升方波電壓具有最低的局部放電起始電壓，而正弦電壓具有最高的局部放電起始電壓，分析認為是由于同極性和異極性電荷不同積累過程所致。電壓轉(zhuǎn)換速率在影響局部放電起始電壓和放電大小等因素中占主導地位。然而，光學檢測法只能檢測放電部位暴露在外的情況，光學探頭也需要對準放電部位，因此不適用于對商用模塊封裝絕緣的內(nèi)部放電進行探測。

評估高壓功率模塊封裝絕緣在 PWM 快速方波下的局部放電特性的重點和難點一方面是在于如何避免快速開關(guān)導致的電磁干擾，提出合適的局部放電測試手段，另一方面是研究絕緣在 PWM 快速方波下放電老化的機理，通過這兩方面的研究達到提高封裝絕緣的可靠性的目的。

2.3 高壓功率模塊封裝絕緣材料的老化

2.3.1 硅凝膠的老化

研究表明，陶瓷層和金屬層界面孔隙中的局部放電產(chǎn)生的放電幅值較小，而金屬邊緣的局部放電幅度在幾 nC 的范圍內(nèi)，導致硅凝膠分解成氣態(tài)產(chǎn)物，降低了材料的絕緣能力。國外學者利用電學測量和快速可視化技術(shù)研究硅凝膠封裝絕緣中金屬凸起造成的局部放電和樹枝化現(xiàn)象。在脈沖電壓下，硅凝膠顯示出的自愈能力有限，只對孤立的、非重復(fù)的局部放電有效，而在一系列局部放電后絕緣性能無法恢復(fù)。局部放電起始電壓隨著封裝絕緣材料的屬性變化而發(fā)生巨大的改變。除了提高封裝質(zhì)量，如消除氣泡、平滑金屬邊緣等方法來降低放電可能性外，還可以對硅凝膠介質(zhì)體系進行改進，尋找與基板更加匹配的膠體材料來緩解硅凝膠介質(zhì)中的局部放電現(xiàn)象。

2.3.2 環(huán)氧樹脂的老化

相對于具有彈性的硅凝膠封裝絕緣材料，環(huán)氧樹脂具有較高的楊氏模量，但易在冷熱循環(huán)中發(fā)生開裂等機械失效。國內(nèi)學者通過實驗發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧樹脂內(nèi)部微小氣泡處易發(fā)生氣隙局部放電，放電后界面處的含氧量顯著增多；有學者研究了脈沖上升時間對環(huán)氧樹脂電樹引發(fā)和生長特性的影響規(guī)律（如圖 7）。結(jié)果表明相比較于傳統(tǒng)正弦電壓，脈寬調(diào)制電壓增加了電樹引發(fā)概率和生長速度：在一定溫度下，隨著上升時間的減小，電樹引發(fā)的概率增高、電樹生長速率增大、電樹形態(tài)逐漸由樹枝狀演變?yōu)閰擦譅睢Ｒ虼?，選用環(huán)氧樹脂作為電力電子器件封裝材料的時候，要充分考慮脈寬調(diào)制電壓上升時間、載波頻率和熱效應(yīng)對絕緣性能影響。

因此，為了降低封裝中發(fā)生局部放電的可能性，應(yīng)確保在基板金屬層處與硅凝膠界面無孔隙，同時應(yīng)當也應(yīng)確保環(huán)氧樹脂中無微孔。除了上述的要求外，為了進一步提高高壓功率模塊封裝絕緣的可靠性，還需要在封裝結(jié)構(gòu)、封裝材料以及工藝等方面開展更多的研究工作。

3 高壓功率模塊封裝絕緣可靠性的改進

為了提高高壓功率模塊封裝絕緣的可靠性，降低絕緣材料的老化程度，研究人員主要從改變封裝絕緣結(jié)構(gòu)和調(diào)控絕緣材料特性的角度進行了探索。

3.1 改變封裝幾何結(jié)構(gòu)控制最大電場

基板陶瓷層和金屬層的結(jié)合方式會影響界面位置的幾何結(jié)構(gòu)，進而影響“三結(jié)合點”處的最大電場。研究表明常規(guī)使用的金屬釬焊（AMB）技術(shù)容易在金屬化層下面的銅焊處產(chǎn)生非常尖銳的邊緣，容易引起局部放電（如圖 8）。

針對改變封裝幾何結(jié)構(gòu)，研究人員已經(jīng)提出了若干方法來降低“三結(jié)合點”處的電場強度：

1） 增加陶瓷基板的厚度，但是增加陶瓷厚度對電場改善的效果有限，陶瓷厚度增加一倍并不會導致電場減半，也不會使 PDIV 增加一倍。另外，增加陶瓷基板厚度會減小散熱效率，不符合功率模塊小型化的要求；

2） 調(diào)整基板金屬層偏移量[66,83]，金屬層偏移量定義為上、下金屬層距離陶瓷邊緣的距離之差（如圖 9）。隨著金屬層偏移量的減小，最大電場強度減小，但是改善效果有限；

3） 改善焊盤尺寸和轉(zhuǎn)角曲率：有研究發(fā)現(xiàn)局部放電的次數(shù)和幅值隨著 DBC 焊盤尺寸的增加和轉(zhuǎn)角曲率半徑的減小而增加；

4） 使用基板堆疊，即將一個 DBC 基板疊加在另一個 DBC 基板之上，不僅增加了總絕緣厚度，也可以將中間電位鉗制住，從而大大減小陶瓷內(nèi)和三結(jié)合點處的電場強度。局部放電測試結(jié)果顯示（如圖 9），與單個 0.63 mm 的基板相比，通過堆疊兩個 0.32 mm 的 Al2O3 陶瓷基板，局部放電起始電壓提高 94%。但進一步增加堆疊層數(shù)對抑制局部放電的效果不是十分顯著，比如采用三層陶瓷基板疊加時，相比兩層陶瓷基板疊加，局部放電起始電壓只增加了 15%。此外，如果基板疊層的中間金屬層保持浮動，則電場減弱效應(yīng)將大打折扣。

3.2 調(diào)控絕緣材料介電參數(shù)抑制放電

3.2.1 介電常數(shù)調(diào)控材料

由于灌封材料和陶瓷基板的介電常數(shù)不匹配，界面結(jié)合點位置的電場強度最大。研究發(fā)現(xiàn)，改變?nèi)Y(jié)合點的位置并使用合適的介電涂層覆蓋結(jié)合位置，可以使得三結(jié)合點不再成為電場最高的地方（如圖 8）。國外學者在 50 Hz 正弦電壓下測試了填充高介電常數(shù)納米鈦酸鋇的硅凝膠，結(jié)果表明其介電常數(shù)隨著所施加電場增加而增加，局部放電起始電壓和擊穿電壓也顯著提升，通過增強極化機制，鈦酸鋇顆?？梢詼p緩電場集中達 29%；國內(nèi)有學者采用環(huán)氧樹脂為基體，與高導熱微米氮化硼以及納米氮化硼分別制備高介電復(fù)合材料，可以減緩電場集中大約 10%。但是當納米或微米氮化硼摻雜質(zhì)量分數(shù)達到 15%時，擊穿強度相較純環(huán)氧分別下降 25.3%和 34.2%。

3.2.2 非線性電導材料

研究表明在基板金屬邊緣應(yīng)用非線性電導層，可以通過傳導電流流過該層來改變電場分布，降低放電發(fā)生概率。但該方法需要精準調(diào)控非線性電導率隨電場的變化的關(guān)系，因為當電導率的電場依賴性太弱則電場均勻效果不明顯，當電導率對電場的依賴性太強則非線性層表現(xiàn)為金屬化的延伸，反而縮短了絕緣距離，導致較大的漏電流和放電概率。

西門子公司采用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）工藝，在嵌入硅膠的金屬化 AlN 陶瓷邊緣涂了一層厚度為 300 nm 的高阻抗摻雜非晶體硅（a-Si:H），將該層的電導率調(diào)節(jié)至 10-5S/m 來均化陶瓷邊緣的電場強度。試樣在有效值 10.5kV 的電壓下局部放電幅值不超過 10pC。但是該線性電阻材料的性能取決于施加電壓的頻率，其優(yōu)勢隨著頻率增加而減小。非線性電導材料則不存在頻率的限制：ABB 公司發(fā)現(xiàn)在基板的金屬邊緣層應(yīng)用填充 ZnO 的聚酰亞胺非線性電阻層可以顯著降低三結(jié)合點的電場；也有國內(nèi)學者在硅氧烷彈性體中加入微納米尺寸的 BN 和 SiC，發(fā)現(xiàn)所形成的復(fù)合材料的電導率隨著施加電場的增加而增加，并且當二者摻雜含量越高時，非線性電導率越明顯，局部放電發(fā)生的概率越小。

3.2.3 導熱絕緣材料

高壓功率模塊在高頻下工作產(chǎn)生的熱量更加集中，熱量積累更多，并顯著影響模塊的壽命和可靠性。這就對高壓功率模塊封裝材料的散熱性能提出了更高的要求。聚合物封裝材料是熱的不良導體，缺乏導熱路徑來導出熱量。研究表明向聚合物中添加陶瓷納米/微?？梢蕴岣邚?fù)合材料的熱導率。國內(nèi)有學者將 14%體積的碳酸鋇添加在硅凝膠中，不僅將介電常數(shù)提高了 1.6 倍，還把凝膠的熱導率提高了 37%；也有學者研究發(fā)現(xiàn)當填充15%質(zhì)量分數(shù)的 BN 到環(huán)氧樹脂中時，復(fù)合材料的熱導率是純環(huán)氧熱導率的 3.2 倍。若把 BN 與環(huán)氧簡單地復(fù)合，二者之間存在較大的接觸熱阻，很大程度上阻礙了復(fù)合體系導熱性能的提升，如何在環(huán)氧基體內(nèi)構(gòu)建有效的 BN 三維導熱網(wǎng)絡(luò)仍是制備高導熱環(huán)氧復(fù)合材料的關(guān)鍵問題[；有學者采用鈦酸酯偶聯(lián)劑 LD–144 制備環(huán)氧/AlN 高導熱電子封裝材料。隨著填料 AlN 含量的增加，復(fù)合材料的導熱性能提升明顯。

提高封裝材料導熱性和電氣性能的思路是將灌封絕緣中摻雜微米粒子或納米粒子形成復(fù)合材料，通過以上研究可以看出，復(fù)合材料可以將各組分的性能優(yōu)點結(jié)合，使得復(fù)合材料整體性能更加優(yōu)異，但是填料的制備和性能調(diào)控十分復(fù)雜且成本較高，因此仍然需要研究和開發(fā)更加簡單、低成本以及適合大規(guī)模生產(chǎn)的制備工藝和方法[95]。

4 討論

高壓功率模塊封裝絕緣的可靠性研究主要集中在失效機理、放電檢測以及可靠性提升這三個方面，分別從物理機理、實驗手段和實際應(yīng)用這三個層面層層遞進。掌握封裝絕緣材料失效背后的物理原因，提高封裝材料的導熱性和電氣性能，從而在失效機理研究的基礎(chǔ)上選擇合適的絕緣材料和改性方法，提高高壓功率模塊封裝絕緣的可靠性。

4.1 高壓功率模塊封裝絕緣可靠性的主要威脅

高壓功率模塊封裝失效的主要原因之一是電應(yīng)力引起的局部放電，進而造成老化最終失效。高壓大功率電力電子模塊封裝最脆弱的電氣位置是灌封絕緣、基板金屬邊緣和基板陶瓷的三結(jié)合點位置。陶瓷和金屬層界面中的空隙以及金屬邊緣的空隙是局部放電的主要易損點。除了經(jīng)典的“三電容”氣隙模型局部放電機理外，直流和單極性方波下固體絕緣中的空間電荷累積也是影響局部放電的重要因素。針對方波下高壓功率模塊封裝絕緣局部放電的產(chǎn)生機理，還需要做更深入的研究和探討。

4.2 高壓功率模塊封裝絕緣的主要挑戰(zhàn)

1） 針對高壓功率模塊封裝絕緣系統(tǒng)，現(xiàn)行的評估標準是 IEC 61278-1，但該標準使用的條件是在交流電壓下，而方波下的局部放電行為和正弦波不同，該標準并不能充分評估模塊在實際 PWM 應(yīng)力下的可靠性。

2） 高壓功率模塊的開斷導致具有快速上升沿和下降沿的方波施加在封裝絕緣上，由此產(chǎn)生位移電流以及在空間中內(nèi)激發(fā)高頻電磁波，對常用的局部放電電學測量方法產(chǎn)生極大的干擾，掩蓋原有的局部放電信號。對于逐漸小型化集成化的功率模塊來說，非電學方法諸如光學法由于測量方式的限制，將其大規(guī)模應(yīng)用于現(xiàn)場測量仍有一定的困難。

3） 高壓功率模塊封裝絕緣中的局部放電和老化與材料的制作和封裝工藝具有緊密的聯(lián)系。為了提高封裝的可靠性，封裝絕緣中的缺陷如氣泡和裂紋應(yīng)盡量避免。

4.3 高壓功率模塊封裝絕緣的發(fā)展趨勢

隨著高壓功率模塊器件向著小型化、集成化、耐高溫化的方向發(fā)展，未來還需要完成很多工作：

1） 耐高溫、低電感和高可靠性的集成封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計和驗證。在鍵合線型和非鍵合線型高壓功率模塊中，如何設(shè)計并優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)，盡量減小雜散電容和電感，降低開關(guān)損耗和過電壓應(yīng)力，提高模塊導熱能力和可靠性是封裝結(jié)構(gòu)研究的重點。

2） 高壓功率模塊封裝老化和失效機理的研究與評估。如何通過方波下局部放電觀測等手段來提取封裝絕緣狀態(tài)的關(guān)鍵信息，以評估模塊封裝絕緣的老化程度。亟需研究能體現(xiàn)功率模塊實際運行中承受應(yīng)力的標準，以對高壓功率封裝模塊絕緣系統(tǒng)進行可靠性評估。此外，對高壓功率模塊封裝絕緣局部放電的測量方法也需要進一步研究，為在線監(jiān)測狀態(tài)評估提供實驗手段。

3） 高壓功率模塊封裝絕緣可靠性提升的研究。增加基板的厚度、金屬層偏移、改變?nèi)Y(jié)合點的位置并使用合適的介電涂層等方法都能在一定程度上減小封裝絕緣內(nèi)的最大電場強度，進而降低放電概率并提高可靠性。隨著功率模塊朝著小型化和集成化的方向發(fā)展，如何對封裝絕緣材料性能進行調(diào)控，在不影響功率模塊性能的前提下提升可靠性，降低材料使用成本仍然需要進一步的研究。

5 結(jié)論

本文對高壓功率模塊的可靠性研究進行了梳理，分析和探討了高壓功率模塊封裝絕緣中的幾個關(guān)鍵問題：

1） 典型的高壓功率模塊封裝結(jié)構(gòu)特征。討論了不同封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，鍵合線型高壓功率模塊技術(shù)成熟、成本低、應(yīng)用廣泛，但雜散參數(shù)相對高；非鍵合線型高壓模塊可以減小由鍵合線引入的雜散電感，具有散熱性能好、易于串聯(lián)等優(yōu)點，但內(nèi)部多物理場耦合問題復(fù)雜，絕緣設(shè)計難度較大。設(shè)計高壓大功率模塊應(yīng)具有高功率密度、低雜散參數(shù)和低電場應(yīng)力集中等特點。

2） 高壓功率模塊封裝絕緣老化和失效的機理以及現(xiàn)有的評估標準和局部放電測量方法?？臻g電荷在直流和方波電壓下的輸運行為對封裝絕緣中的放電具有重要的影響。現(xiàn)行的標準不足以評估方波下功率模塊的可靠性，而由于快速變化的方波導致的位移電流和空間電磁波導致方波下封裝絕緣的局部放電測量方法受到很大干擾，亟需研究可靠的，能夠適用于在線監(jiān)測的功率模塊局部放電測量方法。

3） 提升高壓大功率電力電子封裝模塊可靠性的方法?？梢詮恼{(diào)控和改變封裝幾何結(jié)構(gòu)控制最大電場，例如增加基板厚度、改變金屬層偏移量、改變?nèi)Y(jié)合點位置、使用介電涂層、改變焊盤尺寸和轉(zhuǎn)角曲率、基板堆疊等；也可以從材料改性角度出發(fā)，提高封裝材料熱導率和擊穿場強，在硅膠、環(huán)氧樹脂等封裝絕緣材料中填入功能性微米和納米粒子，調(diào)控介電常數(shù)、電導率和導熱系數(shù)，使其能夠承受更高的電應(yīng)力并具有更好的導熱性和熱穩(wěn)定性。

免責申明：本文內(nèi)容來源中國電機工程學報 上海交通大學 李文藝、王亞林、尹毅。文字、素材、圖片版權(quán)等內(nèi)容屬于原作者，本站轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅供大家分享學習。如果侵害了原著作人的合法權(quán)益，請及時與我們聯(lián)系，我們會安排刪除相關(guān)內(nèi)容。

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