IGBT器件封装用有机硅凝胶宽频介电特性与温度影响

有机硅凝胶材料作为IGBT器件封装用绝缘材料,在器件的运行工况下,器件承受着重复性导通关断电压,对应频谱宽,且器件损耗将引起温度升高。为了能够准确分析器件内部电场特性,运用频域介电谱技术对有机硅凝胶在宽频、宽温度范围内的介电特性进行研究,利用叉指电极,实现对有机硅凝胶在不同温度下的宽频介电谱测试。采用Cole-Cole介电模型对实验数据进行拟合,并分析温度对Cole-Cole模型特征参量的影响规律。研究结果表明：频率和温度对有机硅凝胶的介电特性均有较大影响,在低频高温下,有机硅凝胶材料相对复介电常数的实部、虚部都显著增加。在所提取的Cole-Cole介电模型的特征参量中,直流电导率σ₀及特征参量Δε₁与温度之间的关系都满足Arrhenius方程,热活化能分别为0.233 eV与0.691 eV;弛豫时间τ₁和τ₂随温度的变化规律有所不同,但在高温时都明显增加。对半导体器件封装用有机硅凝胶材料介电特性的认知可以为器件内部电场分析和绝缘设计提供基础数据支撑。     

高压SiC器件封装用有机硅弹性体高温宽频介电特性分析

有机硅弹性体因具有良好的绝缘性与耐高温的特性,广泛应用于高频、高压、高温工况下的SiC器件中.在宽频率、宽温度范围内,有机硅弹性体材料的介电性能对SiC器件内部电场分布产生极大影响,因此该文采用频域介电谱分析方法获得了宽频(10?2～107Hz)、宽温度(20～280℃)范围内的有机硅弹性体介电特性数据,掌握有机硅弹性体在不同频率、温度条件下的介电弛豫过程,在此基础上,采用改进Cole-Cole模型对有机硅弹性体的弛豫特性进行分析,获得温度对有机硅弹性体介电响应过程与介电特征参数的影响规律.研究结果表明,随频率上升,复介电常数实部明显下降并趋于稳定,复介电常数虚部呈现先下降后上升到达峰值的趋势.在高温低频条件(160℃以上,100Hz以下)下,有机硅弹性体材料出现明显的低频弥散现象,280℃下观测到了电荷扩散过程的出现;不同温度下Cole-Cole模型特征参数中直流电导率σdc、弛豫强度Δε 与低频弥散强度ξ 与温度的关系满足Arrhenius方程规律;高频介电常数ε∞随温度升高而降低,与温度近似呈线性变化;弛豫时间τ 在高温下随温度上升具有明显指数型下降趋势,其机理可利用双势阱模型描述.该文获得的有机硅弹性体宽频、宽温度范围内的介电特性可以为SiC器件封装绝缘设计提供数据支撑.     

采用修正Cole-Cole模型提取油纸绝缘频域介电谱的特征参量方法

为了定量描述变压器油纸绝缘频域介电谱(frequency domain spectroscopy,FDS)随温度、水分、老化程度等绝缘状态的变化关系,引入了修正Cole-Cole模型研究油纸绝缘的FDS特性,提出采用该模型参量作为油纸绝缘FDS的特征参量,以反映其绝缘性能,并给出了模型的初始值设定方法及优化目标函数。在不同温度下采用三电极测量了油纸绝缘试品的频域介电谱特性,提取了模型的参量并分析其变化规律。结果表明,在10-3～103 Hz频率范围,可以采用单弛豫时间常数的修正Cole-Cole模型来描述油纸绝缘的频域介电谱,该模型将频域介电响应分解为弛豫、直流电导和跳跃电导3个分量的叠加。温度主要影响弛豫分量和直流电导分量,且上述两个分量所对应的时间常量τ和直流电导率σdc随温度变化满足Arrhenius方程。     

气固复合绝缘变压器聚酯材料老化特性研究

为了研究长时间运行下SF₆气固复合绝缘变压器的老化状态，建立了变压器内部聚酯绝缘材料老化评估模型。首先对6020型PET薄膜进行加速热老化实验，然后采用频域介电谱、差示扫描量热、拉伸以及近红外光谱检测PET材料的老化特性。实验发现，PET薄膜介电损耗随老化呈现先减小后增大趋势，采用Havriliak-Negami介电弛豫模型处理后选取了典型特征参量τ₁和τ₂,并拟合得到了老化时间与τ₁和τ₂的经验公式；PET薄膜的结晶度和断裂伸长率随着老化呈现先增大后减小趋势，拉伸强度呈现减小趋势；PET薄膜近红外吸光度随着老化呈现减小趋势，采用线性判别分析算法进行降维处理后获得了较好的分类结果。综合分析可得，频域介电谱弛豫时间常数τ₁和τ₂、拉伸强度和近红外光谱吸光度特征参量可以较好的表征聚酯材料的老化程度。     

工频电压下有机硅凝胶的电树枝发展规律及其局部放电特性

有机硅凝胶作为高压大功率IGBT器件灌封的绝缘材料,其自身的绝缘性能直接决定着IGBT器件的耐压可靠性。为此,针对高压大功率IGBT器件封装用有机硅凝胶内局部放电产生的电树枝发展规律及局部放电特性开展实验研究。实验中采用针-板电极结构,实时记录了交流电压下有机硅凝胶内电树枝的发展规律以及局部放电特征参量。实验结果表明在室温及工频电压作用下,有机硅凝胶内的电树枝主要由气道与气泡构成,电树枝的生长速度与树枝长度无关,依据有机硅凝胶材料的高分子主链结构分析了电树枝通道的不导电性或弱导电性,此外,实验观测到有机硅凝胶材料的电树枝具有独特的自愈特性,并分别从物理自愈和化学自愈解释了电树枝的自愈机制;有机硅凝胶内局部放电脉冲序列主要分布于一、三象限,符合典型的材料内部沿面放电特征谱,随着电树枝的生长,局部放电脉冲的放电量增大,但脉冲频率几乎不变,脉冲相位受到空间电荷调制效应的影响。研究结果对于指导有机硅凝胶在IGBT器件灌封时的应用具有一定的指导意义。     

Y2O3掺杂对钛酸锶钡陶瓷材料介电-温度及电阻率-温度特性的影响

钛酸钡基电介质陶瓷因具有良好的介电和正温度系数特性已被广泛应用于科技、工业以及日常生活中，在新兴领域的需求下，开发具有低居里温度和高常温电阻率特性的电介质陶瓷材料具有重要意义。因此，采用固相法制备了不同掺杂浓度氧化钇(Y₂O₃)的钛酸锶钡(Ba_0.7Sr_0.3TiO₃,BST)，正温度系数(positive temperature coefficient,PTC)陶瓷材料，通过X射线衍射和扫描电镜测试了试样的理化特性，利用宽频介电谱仪和电阻率–温度测量系统分别获得了试样的介电–温度特性和电阻率–温度特性，并构建了四象限模型分析钇(Y)对材料介电–温度特性和电阻率–温度特性的影响机理。研究表明：随Y₂O₃含量的增大，介电常数和居里温度均呈先增大后减小的趋势，而常温电阻率呈现相反的变化趋势。0.0008 mol的Y₂O₃掺杂可大幅提高BST材料相对介电常数(>10⁵)...     

油纸绝缘频域介电谱的修正Cole-Cole模型特征参量提取及水分含量评估方法

为了应用频域介电谱技术实现变压器油纸绝缘水分含量的定量评估,在实验室中制备了不同水分含量的油纸绝缘样品,分析了水分含量对样品介电特性的影响规律,同时引入修正Cole-Cole模型提取了油纸绝缘频域介电特征参量,研究了水分含量对这些特征参量的影响规律。结果表明,水分含量的变化会对油浸绝缘纸板样品的频域介电特性产生较大影响,采用修正Cole-Cole模型提取的频域介电特征参量中,?弛豫时间常数??及直流电导率?dc会随着油浸绝缘纸板水分含量的增加分别明显变小和增大;对参量水分含量m.c.的初步拟合显示,??和?dc与m.c之间分别呈现指数和线性关系,可考虑作为定量评估油纸绝缘水分含量的特征参量。     

基于修正Cole-Cole模型的氧化锌压敏电阻老化状态评估

为了将频域介电响应法(FDS)用于氧化锌压敏电阻老化状态的无损检测,在实验室环境下对氧化锌压敏电阻进行冲击老化试验,测量其介电频谱,并引入了带直流电导的多驰豫Cole-Cole模型拟合分析氧化锌压敏电阻的介电频谱。通过双驰豫Cole-Cole模型拟合常温下的介电谱发现,其中存在α驰豫过程和β驰豫过程,其对应的活化能约为0.68 eV和0.34 eV,对应着非本征晶间相缺陷驰豫和本征氧空位缺陷驰豫,α驰豫强度Δε_α随冲击次数的增加而增强,而β驰豫过程不受冲击老化的影响;在拟合高温下(393 K)的介电频谱时新发现γ驰豫过程,其活化能约为0.73 eV,对应着非本征晶界面缺陷驰豫,随着老化程度的加深,驰豫强度Δε_γ、形状参数γ增大,驰豫时间τ_γ和活化能减小;直流电导σDC随着冲击次数的增加而变大,其对应的活化能约为0.72 eV,随着冲击次数的增加而减小。因此,可通过修正的多驰豫Cole-Cole模型参数σ——(DC)、Δε_α、Δε_γ、τ_γ、γ和直流电导活化能、γ驰豫活化能综合评估氧化锌压敏电阻的老化状态。     

温度对油浸式套管Cole-Cole介电模型参数的影响

为了能够更好地利用Cole-Cole介电数学模型诊断油浸式套管受潮状态,需要解析温度对油浸式套管Cole-Cole介电模型参数的影响。在实验室制备了72.5kV油浸式套管,并在不同测试温度下对油浸式套管进行了频域介电响应测试,采用带修正的双弛豫Cole-Cole介电模型对实验数据进行了拟合,并分析了温度变化对油浸式套管频域ColeCole介电模型参数的影响。结果表明:油浸式套管Cole-Cole介电模型中的直流电导率σdc与热力学温度T的关系与变压器中的相关研究一致,满足Arrhenius关系,而弛豫时间和弛豫强度与变压器的研究结果有明显的区别;其中油浸式套管弛豫时间τ1随测试温度的升高呈指数式减小,τ2随温度的升高而下降且下降过程中存在一个放缓区;弛豫强度Δε1随测试温度的升高指数式增加,Δε2随温度升高呈现出先增大后减小再增大的趋势。     

高压IGBT封装硅凝胶材料高温和热老化绝缘特性研究

在高压IGBT器件中，新兴的宽禁带半导体芯片逐渐代替了传统的硅基半导体芯片，其高功率密度特性会导致电力电子模块的工作温度急剧上升。硅凝胶作为高压IGBT器件的封装用绝缘材料，其绝缘性能面临高温和热老化的挑战。为了研究高温和热老化对硅凝胶材料热稳定性和绝缘性能的影响，本文基于硅凝胶材料的高温试验与热老化试验，测试了高温和长期热应力作用对硅凝胶材料介电性能、体积电导率和击穿强度的影响，对硅凝胶的高温特性和热老化特性进行分析。结果表明：随着温度的升高，硅凝胶的复介电常数实部降低、介质损耗增加、直流电导率升高、击穿强度降低；随着热老化时间的增加，硅凝胶的复介电常数实部增加、介质损耗先减小后增大、直流电导率先增大后减小、击穿强度降低。     

温度对环氧胶浸纸套管FDS特性的影响

为研究温度对环氧胶浸纸套管频域谱特性的影响,以便更准确地将介电响应技术应用于套管受潮或老化状态评估,设计了不同温度下胶浸纸套管绝缘频域谱(FDS)测量试验,运用电介质极化理论对频域介电现象进行分析,并建立扩展Debye模型,利用遗传算法和内点法辨识各支路参数,通过模型参量变化分析温度对频域谱特性的影响规律。结果表明,随着温度的升高,低频区(10^–3~1 Hz)复电容实部随着温度的升高显著增大,介损和复电容虚部频谱曲线整体向高频方向移动;建立的6支路Debye模型与实测值基本相符,绝缘电阻R₀随温度升高而减小,几何电容C₀基本不变;采用基于“频温平移因子”的主曲线技术可有效消除温度的影响,实现将已知温度下的频谱曲线折算到未知温度,扩展了频谱曲线的测量范围;频谱曲线的“平移因子”满足Arrhenius方程,利用“平移因子”计算得到的活化能约为31.92 kJ/mol。因此,利用频域介电谱法评估受潮或老化状态时必须考虑温度的影响,否则将导致评估结果失实。     

ZnO压敏微球/硅橡胶复合材料介电弛豫特性

控制高压设备内部电场均匀分布是有效防止高压设备绝缘材料老化及故障的关键,ZnO压敏微球/硅橡胶(Si R)复合材料因其非线性电导和介电特性,常用于高压设备均压结构中。该文制备ZnO体积分数为5%～40%的ZnO/SiR复合材料,在0.1Hz～1.0MHz频率范围以及-40～160℃温度范围内,利用宽频介电谱仪获得不同ZnO体积分数的ZnO/SiR复合材料的弛豫过程,可知ZnO/SiR复合材料中存在β弛豫、内部偶极极化(intermediate dipolar effect,IDE)弛豫和α弛豫3种弛豫形式,分别由硅橡胶基体的粘流态转变、聚合物支链运动以及ZnO压敏微球引起。通过对IDE弛豫时间对数与温度倒数的线性拟合可知,ZnO/SiR复合材料IDE弛豫的产生机制为ZnO压敏微球内部热激活载流子的迁移与积累。研究结果为ZnO/SiR复合材料的弛豫过程提供了基础数据,并为该复合物在高压设备中的应用提供参考。     

Dielectric characteristics of spin-coated dielectric films using on-wafer parallel-plate capacitors at microwave frequencies

Dielectric properties of spin-coated dielectric insulators suitable for high-speed device fabrication are investigated. Complex dielectric permittivities and tangential losses of two polyimides, bisbenzocyclobutene (BCB), and a spin-on-glass (SOG) were extracted from the measured microwave reflection coefficient, S/sub 11/, of parallel-plate capacitors over a frequency range of 50 MHz to 40 GHz. A model for the dielectric permittivity as a function of frequency is developed based on measured data with a minimum square error of less than 10/sup -4/ between measured and modeled microwave reflection coefficients. A circuit model for the pad capacitance is obtained based on geometrical and physical considerations. The relationship between the dielectric loss and its thickness is considered. Experimental results are fitted to Debye and Cole-Cole models.     

Electrical treeing phenomena in two-layer silicone gel with different crosslinking degrees and its dielectric strength

Silicone gel is widely used to encapsulate power modules, and improvement of its dielectric strength has been required. So, the purpose of our research is to improve dielectric strength of silicone gel encapsulant, and we focus on crosslinking degree of silicone gel. Previous studies have shown that growth mechanism of electrical tree changes with crosslinking degree of silicone gel. This suggests the possibility that the presence of the interface by different crosslinking degrees inhibits the tree growth. In this paper, we have investigated the tree growth and breakdown characteristics in silicone gel—crosslinking degrees graded layer materials. The interfaces in our study are arrange as being vertical to the line of electric force. Consequently, it was clarified that barrier effect of interface by different crosslinking degrees and the relaxation of electric field in low crosslinking degree region retards on tree growth, which improves the dielectric strength.     

DIELECTRIC BEHAVIOUR OF A NANOGRAIN PMN POWDERS

ABSTRACT

Dielectric permittivity of 150 nm mean grain size Pb(Mn_1/3Nb_2/3)O₃ (PMN) nanopowder has been investigated by dielectric spectroscopy in the 20 Hz–1 MHz frequency range and 100 K–400 K temperature range. The broad and diffused dielectric dispersion has been observed, but the dispersion region and the maximum of the real part of dielectric permittivity is shifted to lower temperatures compare to PMN single crystal and ceramics. The mean relaxation time, obtained from fits of the frequency dependences of the dielectric permittivity with Cole-Cole formula, changes according to the Vogel-Fulcher law with the freezing temperature T ₀ = 88 K which is much lower than in bulk PMN materials.     

Dielectric study of thin films of Ta2O5 andZrO2

Electronic conduction in sputtered Ta₂O₅ and ZrO₂ thin films have been studied using impedance spectroscopy, isothermal transient ionic current, and current-voltage measurements. The dielectric properties of Ta₂O₅ were shown to be sensitively dependent on deposition parameters with two different frequency responses: a flat loss behavior with very low DC conductivity, or a relaxation peak together with a somewhat higher DC conductivity. ZrO₂ has different dielectric properties when fresh, i.e. newly deposited, or aged. A fresh sample arbitrarily can show two different behaviors, consisting of a DC conductivity with a relaxation peak superimposed on it. The DC conductivity shows either of two different values. The aged sample has a lower permittivity and DC conductivity, and the relaxation peak is found at much lower frequencies. Fresh samples of ZrO₂ also show switching behavior     

基于频域介电谱法的油浸式套管受潮状态评估

为了定量评估油浸式套管主绝缘受潮状态,建立了考虑直流电导的Cole-Cole双弛豫模型。对实验室制备的不同含水量(0.53%、1.78%、2.97%、3.89%、5.03%)的72.5 kV油浸式套管模型进行测试得到对应的频域介电谱,采用建立的Cole-Cole双弛豫模型对测试结果进行拟合解析,提取表征油浸式套管内绝缘含水量的特征参数,并拟合评估公式。考虑温度对现场测试结果的影响,提出了适用于现场的油浸式套管受潮状态评估方法。案例分析结果证明了所提方法的有效性。     

Calculation of calorimetric effect of thermo-field electronemission

The aim of the calculation presented in this report is to get more data about the specific calorimetric effect, e.g. the cathode cooling or heating per electron, of thermo-field electron emission from metals over wide ranges of work functions, eφ=2.0 to 4.5 eV, electron temperatures T_c=2000 to 4500 K, and electric field strengths F=10⁶ to 10⁸ Vcm^-1. For metals such as Cu, Nb, Mo, and W, most commonly used in vacuum electron discharge devices, the temperature range has been further expanded up to 500 to 10000 K