为功率模块穿上“电热铠甲”：西安建大科研团队研发出有机-无机复合封装新方案

　　随着新能源汽车、智能电网等高端装备向更高功率密度和更复杂工况演进，功率模块的长期可靠性正成为制约系统安全运行的关键环节。4月8日，记者从西安建筑科技大学获悉，该校机电工程学院电工超材料研究团队在功率电子封装绝缘领域取得重要进展，针对高功率密度模块在长期电热应力下封装材料性能退化难题，提出一种基于有机电子受体改性无机填料的硅凝胶复合封装方案（AO@NDA/SG），为高功率模块构筑起兼顾绝缘与散热的“防护盾”。相关成果发表于国际权威期刊《电力电子学汇刊》。

　　当前，以IGBT、碳化硅、氮化镓为代表的功率器件正不断向小型化、高温化和高频化发展。这对封装材料的电绝缘性、导热能力和长期稳定性提出了更高要求。硅凝胶是目前广泛使用的封装材料，但在长期热氧老化和高低温循环冲击下，其分子链易发生断裂，交联结构退化，界面损伤累积，最终导致击穿强度下降和局部放电风险上升。然而，既有研究多聚焦于材料本体的老化行为，对封装材料与功率模块在多应力耦合作用下的协同失效机制关注不足，更缺乏能够在电-热性能之间取得平衡的系统性优化策略。

　　针对上述难题，研究团队创新性地提出一种“有机包覆无机”的复合填料设计思路。他们选择有机电子受体NDA对氧化铝颗粒进行表面包覆，并将其均匀分散于硅凝胶基体中，成功制备出AO@NDA/SG复合封装材料。该材料不仅展现出更高的击穿强度和导热率，同时具备较低的热膨胀系数。团队同步建立了从材料制备、多应力老化实验到性能表征与仿真验证的一体化研究路径，系统评估了封装材料及全封装功率模块在热氧老化和高低温循环后的性能演变规律。

　　SG封装材料老化失效机理

　　研究进一步揭示了AO@NDA/SG复合封装材料的抗老化机制。通过扫描电镜、红外光谱和X射线光电子能谱等多种手段，团队发现，该材料能够在填料与基体之间形成稳定的C–Al化学键，从而有效抑制硅凝胶分子链的氧化断裂以及Si–CH 基团的降解。这一界面调控显著减缓了老化过程中自由体积的扩张和陷阱能级的劣化。实验数据显示，经过500小时热氧老化后，AO@NDA/SG的击穿强度保留率高达91%，而纯硅凝胶仅为76%。在全封装模块测试中，采用新方案的功率模块局部放电起始电压相比传统封装提升了26%。

　　多维度仿真验证结果

　　与此同时，COMSOL多物理场仿真结果进一步验证了该方案在电场调控方面的优势。与传统模块相比，该模块在三结合点——即导体、绝缘体与气体交界处的最大电场强度降低了26.4%，电场分布更加均匀，局部放电风险得到显著抑制。

　　“封装材料的老化并非单一因素决定，而是热、力、电多场耦合下的渐进失效过程。我们通过有机-无机界面调控，使材料在长期服役中‘守住绝缘、疏导热量’，为高功率模块提供更可靠的‘防护盾’。”团队负责人王争东教授表示。

　　未来，团队将进一步探索该封装方案在高压、高频宽禁带功率模块中的应用适应性，并结合在线监测技术，构建面向实际工况的封装可靠性评估体系，为高功率密度电力电子系统的安全运行提供关键支撑。

　　（中国日报陕西记者站）