王 昭，刘曜宁

（中车永济电机有限公司半导体分公司，陕西 西安 710018）

BaTiO3复合硅胶对IGBT模块内部电场分布的影响

王 昭，刘曜宁

（中车永济电机有限公司半导体分公司，陕西 西安 710018）

分析了IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)高压功率模块的内部电场绝缘问题。模块封装中使用的硅胶的电场承受能力直接影响了整个模块的绝缘表现，通过使用有限元分析方法，分析和确定了模块中最大电场存在的位置。结果表明，影响局部放电最关键的部分就是被硅胶覆盖的覆铜陶瓷基板，高的局部放电效应会使得硅胶绝缘失效，最终导致IGBT模块失效；最后提出了优化解决方案。

IGBT模块；硅胶；BaTiO3；有限元分析；电场模拟；局部放电

随着近年来高压IGBT模块的发展和使用（电压已达到6.5 kV），随之而来的就是对模块内部绝缘介电材料性能要求的提高[1]。通常使用硅胶对IGBT模块进行电气绝缘保护，主要是因为它拥有良好的导热、力学和电学性能。然而，在模块电压日益增大时，内部局部电场过高就成为导致硅胶中产生局部放电或击穿的重要原因之一[2-5]。目前可以通过以下两个研究方向来缓解这一问题，一是研究新的耐压能力更好的电介质凝胶[6-8]；二是通过研究分析找到最大电场存在的位置，并通过模型结构改进使电场得到改善，降低到电介质材料所能容忍的限度[9-11]。

在IGBT模块中有三个主要的介电部位，一是陶瓷基板，通常使用氧化铝或氮化铝（AlN）（本文中以氮化铝展开研究）；二是封装用的硅胶（Silicone Gel），其作用是防止模块局部放电或击穿；三是前面两个介质的界面处，通常这里也是IGBT功率模块绝缘最薄弱的部分[12-15]。

陶瓷基板的质量、硅胶的使用环境温度和湿度是影响局部放电的重要因素，然而制约功率模块局部放电最关键部位还是在陶瓷基底与铜金属化层边缘，因此在这个位置的硅胶就不仅仅是防止自身内部放电，还有防止基板与电极边缘放电的作用，而且有研究人员认为IGBT功率模块局部放电的主要来源就是在基板和铜层与硅胶的界面处[16]。本文通过有限元分析的方法来分析功率模块中最大电场存在的位置，并提出对硅胶掺杂改性来解决模块内部局部电场过高的现象，同时提出局部放电测试的验证方法。

对工业产品来说，新材料和工艺的研发周期太长而且研发费用也比较高，因此，利用软件进行产品工艺设计是一种高效率的解决方案。通过有限元分析方法可以模拟模块中的电场强度分布，很容易就找到IGBT模块中电场强度最大的位置。然而模拟也有它的局限性，因为实际产品中会存在焊接缺陷、空洞等因素，但是仍然可以通过电场模拟对比从整体上得出模块绝缘比较薄弱的位置，因此它是一种高效的实验验证方案。

1 实验建模

利用电场模拟方法来寻找功率模块内部高电场强度的分布位置，有益于优化版图结构，从而得到最优化的设计方案。通过模拟结果可以得到整个模块内部的电场分布情况，有效降低产品的开发成本。

本文仿真使用Ansoft Maxwell 3D电磁场仿真软件，它并不是专业半导体模拟软件，但它被广泛应用在以电磁分析为目的的各种应用场景下。

图1为IGBT模块的截面示意图，然后根据实际生产中使用的覆铜陶瓷基板（DBC）尺寸，构建一个上下两层铜金属化层覆盖的氮化铝（AlN）陶瓷基板模型，如图2所示。

图1 典型IGBT模块截面图Fig.1 Typical cross section view of IGBT module

图2 DBC基板结构和仿真模型Fig.2 DBC figure of structure and simulation model

在进行电场仿真时，对集电极铜层上施加高电压，发射极铜层接地，仿真在50 Hz的频率下进行。在对IGBT模块电场仿真时，将整个模块简化为DBC基板和硅胶，这是因为 Maxwell不能进行专业的半导体特性的模拟，所以当把DBC上方芯片看作有介电常数和阻抗的半导体硅的时候，硅芯片表面上的电场强度几乎和铜层上是一致的，当然这是相对较为理想的一种仿真状态，因为其忽略了芯片中可能存在的某些特殊结构。

2 结果与分析

以6.5 kV IGBT模块模型为例，当在集电极铜电极施加6.5 kV电压，发射极接地，电场强度的峰值主要集中出现在AlN基板和铜金属化层的界面边缘处，从图 3DBC基板表面电场分布的有限元分析结果可以很明显看出。

图3 DBC基板表面电场分布图（6.5 kV电压时）Fig.3 Electric field distribution map of DBC surface (under 6.5 kV)

AlN基板与铜金属化层界面边缘的高电场很容易导致功率模块局部放电测试时失效击穿，而降低边缘电场的一种有效方法就是通过对介质的硅胶进行改性或替换新的介质材料，使其达到提高局部放电时的耐压和提高功率模块可靠性的目的。

目前来看，使用具有介电非线性的新型材料（介电常数随外加电场变化）来充当绝缘填充介质，这可能是缓解AlN基板与铜金属化层界面边缘高电场的一个很好的选择[17-19]。

研究发现，对用于封装的硅胶进行铁电陶瓷粉体填充后，其在外加一定电场时，分散在硅胶内部的铁电颗粒会发生自发极化和电畴分布，这种增强的极化现象就会使得铁电颗粒硅胶这种复合材料的介电常数增加。同时在复合体系中，复合材料的居里温度（铁电体发生相变的温度点）会远高于IGBT模块工作的最大结温 150 ℃，因此不用担心复合硅胶材料会产生自发极化突然消失的情况。重要的是，这种介电可调的效应或机理只能在交流电场条件下实现，符合功率模块的工况。

研究发现使用钛酸钡（BaTiO3）陶瓷粉体作为与硅胶的复合材料时，钛酸钡粉体与硅胶的复合并不会明显改变硅胶本身的粘性和固化特性[6]。在使用钛酸钡粉料填充的硅胶注入模块前，首先对其介电性能进行分析测试，主要针对复合材料的介电常数、耐压和介电可调特性测试。室温条件下，硅胶的介电常数为2.9，钛酸钡的介电常数为1 700左右，介质材料复合介电常数理想公式为：

式中：f为混合的体积比；εi为掺入的陶瓷粉体的介电常数；εm为硅胶的介电常数。通过计算可以得到，在钛酸钡陶瓷粉以 15%体积比均匀混入硅胶后，通过计算得到复合硅胶体系的理论有效介电常数εeff为5.42，相比纯硅胶的介电常数提升非常大。有研究人员通过实验发现，此复合硅胶体系材料实际通过偏置电压测试，可得到的相对介电常数随电场强度的变化关系为[6]：

也就是说，当复合硅胶处于较高的偏置电场时，它的介电常数也会随之增大。

若纯硅胶的介电常数为2.9，而混有粉体的硅胶因为界面边缘处的高电场导致介电常数增加为15左右，为了更深入分析模块内分别注入纯硅胶和掺杂改性硅胶后，铜金属化层和AlN陶瓷界面边缘电场的变化情况，利用Maxwell 3D软件同时对这两种条件下的电场分布情况进行仿真，通过仿真可以得到IGBT模块横截面处电势分布情况如图4所示，从图中可以明显看出，在复合硅胶中电势的弥散过程更加快速，同时在铜金属化层和AlN陶瓷的界面边缘处，电场强度的下降也比较明显，可以有效降低界面边缘处的电场强度。

图5所示为DBC基板横截面AlN表面电场强度从左到右的变化曲线，从注入不同硅胶模型的仿真结果可以看出，在AlN和铜金属化层界面边缘处的最大电场强度由9.96 MV/m降低到8.16 MV/m，电场强度峰值降低达 18%，所以通过使用复合硅胶注入，可以有效改善铜金属化层和AlN界面边缘处的电场分布，从而提高器件绝缘和局部放电性能，有效提高功率模块的可靠性。复合硅胶与纯硅胶相比拥有较高的介电常数，而且通过对硅胶的复合改性来实现功率模块中的电场降低也必将会是 IGBT功率模块商品化的发展趋势之一。

图4 纯硅胶和复合硅胶中电势分布图Fig.4 Voltage distribution maps for silicone gel and silicone composite

图5 在纯硅胶和复合硅胶中AlN基片表面电场强度对比Fig.5 The comparison of electric field strength on AlN surface in silicone gel and silicone composite

影响局部放电最关键的部分就是被硅胶覆盖的覆铜陶瓷基板，承受高电压基板产生的高电场强度会引起硅胶中产生局部电场放电的现象，高的局部放电效应会使得硅胶绝缘失效，最终导致IGBT模块绝缘失效，可靠性降低。

图6为IGBT模块局部放电测试图。先使用1.5 Vmrms的交流电压1 min，然后电压降至1.1 Vmrms保持30 s，在1.1 Vmrms测试循环的最后5 s，局部放电的电荷积累必须小于10 pC。局部放电测试的操作频率必须是50 Hz或60 Hz。对于6.5 kV IGBT模块，局部放电的测试电压为5.1 kV rms。

图6 IGBT模块局部放电测试循环（依据IEC 1287标准）Fig.6 Test cycle for determining the partial discharge strength for IGBT module (according to IEC 1287)

3 结论

通过使用有限元分析方法，分析和得到了IGBT功率模块中最大电场出现的位置，同时提出了使用硅胶复合改性的方法来解决局部电场过高的问题。仿真结果表明，复合硅胶因其较高的介电常数可以明显抑制陶瓷基板与铜金属化层界面边缘的的电场强度，从而有效提高模块在绝缘和局部放电时的表现，提高了IGBT功率模块的可靠性。

[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.

（编辑：陈渝生）

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，陕西西安人，博士，主要从事IGBT模块封装和工艺研究，E-mail: wangz_crrc@163.com ；

刘曜宁（1988-），男，山西永济人，硕士，研究方向为IGBT模块焊接工艺，E-mail: 365317813@qq.com 。

时间：2016-11-29 11:41:41

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