关于《陡电压上升率下功率半导体器件封装用有机硅凝胶击穿特性研究》的学术研究报告

一、 主要作者、研究机构、发表期刊及时间 本研究由武汉大学电气与自动化学院的苏大智、曾福平（通信作者）、黄萌、钟恒鑫、陈日荣、唐炬等人共同完成。研究成果发表于期刊《电机与控制学报》（Electric Machines and Control）2025年6月第29卷第6期。该研究获得了国家自然科学基金和湖北省杰出青年基金的资助。

二、 学术背景 本研究的核心科学领域是高电压与绝缘技术，具体聚焦于功率半导体器件（如绝缘栅双极晶体管， IGBT）的封装绝缘可靠性。

研究动因与背景知识：以IGBT为代表的功率半导体器件是新能源发电、直流输配电等系统的核心电能变换元件。在器件内部，有机硅凝胶（Silicone Gel） 作为关键的灌封材料，用于填充和保护芯片及互连线路，提供必要的电气绝缘。然而，功率器件在实际工作中频繁开断，其封装绝缘材料（如有机硅凝胶）长期承受具有高重复频率、陡峭上升沿（高 du/dt） 的脉冲电压应力。现有研究表明，有机硅凝胶的绝缘强度在脉冲电压的上升沿阶段最为脆弱，电压上升率（Rising Rate）对其击穿特性影响显著。特别是随着新一代宽禁带半导体（如SiC, GaN）器件的应用，开关过程中的电压变化速率可达100 V/ns甚至更高，这给封装绝缘材料带来了前所未有的严酷考验。然而，针对如此陡峭电压上升率下有机硅凝胶绝缘特性的系统性研究尚不充分。

研究目标：因此，本研究旨在系统性探究在陡峭电压上升率（高 du/dt）脉冲边沿作用下，有机硅凝胶的击穿特性。研究重点关注电压上升速率（du/dt） 和电场不均匀程度这两个关键因素对有机硅凝胶耐电强度的影响，并深入探讨其背后的击穿物理机制。研究成果旨在为高压大功率半导体器件的绝缘封装设计和可靠性提升提供直接的理论依据和实验数据支撑。

三、 详细研究流程 本研究是一项结合了实验测试、数据统计分析和理论仿真的系统性工作，其流程可概括为以下几个主要环节：

第一环节：实验平台搭建与试样制备 1. 搭建陡电压上升率击穿实验平台：为了解决常规脉冲电源难以产生高幅值、高du/dt电压波形的难题，本研究自主设计了基于Marx冲击电压发生器的专用实验平台。该平台最大输出电压300 kV，波前时间可在0.6–12 μs内调节，通过调节波头电阻和充电电压来精确控制输出的电压幅值（Up）和波前时间（t1），从而获得所需的电压上升率（du/dt ≈ Up / t1）。 2. 设计绝缘缺陷模拟系统：为了模拟功率器件内部实际的电场分布，参考国家标准GB/T 1408.1—2016，设计并采用了两种典型的电极结构来创造不同不均匀程度的电场： * 球-板电极：模拟稍不均匀电场（电场不均匀系数为1.60）。 * 针-板电极：模拟极不均匀电场（电场不均匀系数为7.22）。 电极间距固定为3 mm。为防止沿面闪络，整个电极-试样系统浸没在绝缘油中，且每次实验后更换绝缘油和电极，确保实验条件的一致性。 3. 制备有机硅凝胶试样：选用国产BEGEL 8606型商用双组份加成型有机硅凝胶。按质量比1:1精确称量并混合A（交联剂）、B（基础硅油）组份，经充分搅拌和真空脱气处理后，注入特制模具，在80°C下固化1小时，最终制成直径为50 mm、厚度为3 mm的圆形试样。此制备流程严格控制了气泡引入，以保障试样质量的均一性。

第二环节：实验方法与数据采集 1. 定义电压上升率与击穿判据：根据IEC 60060-1标准，将冲击电压波形峰值（Up）的30%至90%之间的近似线性上升阶段用于定义电压上升率，即 du/dt = Up / t1。取完整冲击波的峰值电压与波前时间的比值作为实验设定的du/dt值。将击穿发生时电压波形的峰值电压记录为该du/dt下的击穿电压。 2. 实施阶梯实验与数据筛选：在室温下，分别对球-板电极和针-板电极结构下的有机硅凝胶试样施加不同du/dt（通过调节Up和t1实现）的冲击电压，直至试样发生击穿。由于固体介质击穿的分散性，为确保统计有效性，每组实验条件（特定电极、特定du/dt）下，筛选出至少20个击穿时刻位于电压波形30%-90%上升阶段内的有效击穿数据。

第三环节：数据处理与统计分析 1. Weibull统计分析：鉴于固体绝缘介质击穿的统计特性，本研究采用两参数Weibull分布对击穿实验数据进行处理和分析。利用公式（2）和（3）对每组数据的击穿场强（由击穿电压和电极几何结构计算得出）进行拟合，得到两个关键参数： * 尺度参数α：对应于击穿概率为63.2%时的击穿场强，通常被视为该条件下材料代表性的击穿强度。 * 形状参数β：表征数据分散性，β值越大，分散性越小。 2. 放电痕迹图像分析：试样击穿后，立即取出并对其表面的放电碳化通道进行图像采集。通过统一的图像处理流程（裁剪、灰度化、二值化），量化分析放电痕迹的面积，以此作为评估不同du/dt下电压对绝缘材料破坏程度的直观指标。

第四环节：机理分析与仿真验证 1. 理论模型探讨：针对有机硅凝胶在微秒/纳秒时间尺度下的击穿现象，研究团队比较了四种常见的气隙缺陷产生理论模型（直接气泡、热致气泡、电致机械应力、场致电离）。结合有机硅凝胶“固液共存”的物理特性和本实验的时间尺度，论证了场致电离（Field Ionization）理论是解释其击穿过程最合理的模型。 2. 有限元仿真建模：为定量验证场致电离理论并探究气隙缺陷对电场分布的影响，研究团队利用COMSOL Multiphysics等有限元仿真软件，建立了与实验对应的二维轴对称模型。模型中特别引入了模拟气隙缺陷的球形区域（相对介电常数设为1），计算并对比了存在与不存在气隙缺陷时，试样内部轴线上的电场强度分布。

四、 主要研究结果 结果一：稍不均匀电场（球-板电极）下的击穿特性 1. 击穿场强随du/dt的变化规律：Weibull统计分析表明，有机硅凝胶在稍不均匀电场下的击穿场强（α值）随着du/dt的升高整体呈下降趋势，且下降速率逐渐减缓。具体数据为：当du/dt从20 V/ns增加到90 V/ns时，击穿场强下降了约16.82%，并在du/dt达到90 V/ns后基本稳定在约7.8×10^4 kV/m的水平。同时，形状参数β也随du/dt上升而下降，表明实验数据的分散性增大。 2. 放电痕迹分析结果：对击穿后试样放电通道的图像分析显示，放电碳化痕迹的面积随du/dt的上升呈现先增大后趋于稳定的趋势。这直观地证明了更高的电压上升率对有机硅凝胶造成了更严重的破坏。 3. 结果逻辑衔接：这一现象无法用传统的热击穿或电化学击穿解释（因作用时间极短）。结合场致电离理论，高du/dt下，载流子迅速获得高能量，导致聚合物分子链断裂产生气隙缺陷；缺陷内电场更强，促进碰撞电离和缺陷扩展，最终导致击穿场强降低。放电痕迹面积的增大是缺陷区域扩展的直接证据。

结果二：极不均匀电场（针-板电极）下的击穿特性 1. 击穿场强随du/dt的变化规律：在极不均匀电场下，有机硅凝胶的击穿场强同样随du/dt增加而下降并趋于稳定，但变化幅度更大。当du/dt从20 V/ns提升至120 V/ns时，击穿场强下降了约42.85%。其形状参数β整体较小，表明击穿数据在极不均匀电场下本身就具有很大的分散性。 2. 与稍不均匀电场的对比：一个关键且反直觉的发现是：在相同的du/dt下，有机硅凝胶在极不均匀电场（针-板）下的击穿场强，反而高于其在稍不均匀电场（球-板）下的击穿场强。 3. 结果逻辑衔接：研究者用“面积效应”（Area Effect） 解释了这一现象。在球-板电极（稍不均匀电场）下，高压电极（球）与试样接触的有效面积较大，电极表面微观缺陷、杂质或材料内部原生缺陷存在于高场强区域的统计概率显著增加，导致更容易在较低的整体场强下引发击穿。而在针-板电极下，电场高度集中于针尖极小区域，虽然此处极易引发初始气隙，但缺陷要发展成贯穿性通道需要更高的整体场强来驱动，且针尖附近形成的气隙也为空间电荷的聚集和调制提供了条件，这在一定程度上延缓了击穿的最终发生。

结果三：击穿机理的仿真与理论验证 1. 仿真结果：有限元仿真计算清晰显示，当有机硅凝胶内部存在球形气隙缺陷时，由于气隙的介电常数远低于凝胶，缺陷内部的电场强度会显著增强（平均提升约25.14%），成为电场畸变最严重的区域，最先满足放电条件。 2. 空间电荷的调制作用：研究进一步提出，气隙缺陷边缘会俘获载流子形成空间电荷，其产生的电场（E’）与外施电场（E0）方向相反，从而削弱了缺陷内的合成电场（E = E0 - E’）。随着du/dt增大，载流子被俘获的概率减小，空间电荷的调制作用减弱，使得气隙更容易发展，击穿场强下降。当du/dt极高时，调制作用趋于饱和，击穿场强便稳定下来。这一机制统一解释了两种电场下击穿场强先降后稳的共性规律。

五、 研究结论与价值 结论： 1. 击穿机理：场致电离理论是解释陡电压上升率下有机硅凝胶击穿过程的有效模型。高du/dt促使载流子能量剧增，引发聚合物分子链断裂形成气隙；气隙内增强的电场加速碰撞电离，使缺陷扩展，最终导致击穿。 2. 关键影响因素：电压上升率（du/dt） 是决定性因素。在稍不均匀和极不均匀电场下，有机硅凝胶的击穿场强均随du/dt升高而下降，破坏加剧，最终因空间电荷调制作用的饱和而趋于稳定。 3. 电场形态的影响：由于 “面积效应” ，在相同du/dt下，有机硅凝胶在稍不均匀电场中的击穿场强低于极不均匀电场。这在绝缘结构设计中是一个需要特别注意的反常现象。

价值： 1. 科学价值：本研究首次系统揭示了有机硅凝胶在超高du/dt（数十至上百V/ns量级）下的击穿特性规律，明确了du/dt与击穿场强的定量关系，并深入阐释了基于场致电离和空间电荷调制的物理机制。特别是对“面积效应”在陡波击穿中作用的揭示，丰富了固体/凝胶介质在瞬态强场下的击穿理论。 2. 应用价值：该研究为采用宽禁带半导体（SiC, GaN）的下一代高压、高频功率器件（如IGBT模块）的封装绝缘设计提供了直接的实验依据和理论指导。设计者需要特别关注器件内部电场稍不均匀的区域（如较大的导体面），在高du/dt工况下，这些区域可能是绝缘的薄弱点。研究结论对提升功率半导体器件的可靠性和使用寿命具有重要意义。

六、 研究亮点 1. 研究对象的时效性与重要性：紧扣新一代功率半导体器件高速开关带来的绝缘新挑战，聚焦陡电压上升率这一关键且研究尚不充分的应力条件，研究选题具有前沿性和明确的工程应用背景。 2. 实验方法的创新性：自主搭建基于Marx发生器的高du/dt专用实验平台，克服了传统电源的限制，能够有效模拟真实工况下的严酷电应力。 3. 系统性对比研究：通过精心设计的球-板和针-板电极，系统对比了不同电场不均匀度下的击穿特性，发现了“面积效应”导致的反常规律，见解深刻。 4. 机理探究的深度：不仅停留在实验现象描述，更通过Weibull统计、图像分析、有限元仿真和理论推演相结合的方式，深入揭示了场致电离和空间电荷调制的联合作用机制，形成了完整的“现象-数据-模型-机理”证据链。

七、 其他有价值内容 文献中提及，有机硅凝胶是一种“固液共存”的凝胶态聚合物，其放电行为兼具固体和液体电介质的复杂性。本研究为此类特殊状态材料的瞬态高压绝缘性能研究提供了一个很好的范例。此外，文中引用的前期研究（如脉冲上升时间对局部放电起始特性的影响、重复脉冲下的电树枝生长规律等）也为本研究的必要性和定位提供了扎实的学术背景支撑。