电压稳定剂接枝提升复合灌封材料的导热绝缘性能

导热、绝缘性能更好的灌封材料能减轻模块的绝缘和散热压力，从而使模块在可靠性方面获得更大优势。绝缘材料缺乏能够成为声子的自由电子，常用的绝缘灌封料热导率极低。构建复合材料能够改善环氧的热传导，但也将导致复合材料的绝缘强度衰退。

绝缘击穿主要由电子碰撞引发，而填料与基体间的界面热阻是传热的主要障碍之一。重庆大学姚陈果教授团队报道了一种灌封料改性新方法，利用低温等离子体将苯乙酮电压稳定剂接枝到六方氮化硼（hBN）上，接枝界面能够消耗高能自由电子，且有助于降低热阻。因此，改性hBN 构建的环氧复合材料具有高绝缘强度和良好的热导率。电压稳定剂接枝装置如图1所示，低温等离子体由沿面介质阻挡放电产生，在等离子体的辅助下，苯乙酮被接枝到hBN 上。红外光谱和光电子能谱证实了接枝的有效性，热重测试结果表明苯乙酮接枝率约为2.2%。

图1 电压稳定剂接枝装置

高电场带来的自由电子冲击绝缘灌封材料，最终引发击穿，但接枝的苯环能够捕获高能电子，转化为激发态苯乙酮，从而抑制高能电子对聚合物分子链的冲击。随后，激发态苯乙酮衰减，同时通过光子释放剩余能量，消耗高能电子的过程如图2 所示。因此，复合材料的绝缘强度比纯环氧灌封料增加了约27.4%，不同接枝处理时间制成的复合灌封料的电绝缘强度如图3 所示。导热性能方面，从声子态密度（PDOS）谱图可以看到，未改性hBN 与环氧树脂的PDOS 曲线重叠度较差，如图4（a）所示。重叠越差表示界面声子失配度越高，因而导致了高界面热阻。而苯乙酮接枝hBN与环氧树脂的PDOS 重叠部分明显增加，如图4（b）所示，说明界面传热被改善，热阻降低。因此，与纯环氧相比，复合材料的热导率提高了约142.9%，如图5 所示。

图2 消耗高能电子的过程

图3 复合灌封料的电绝缘强度

图4 苯乙酮接枝前后声子态密度重叠程度

图5 复合灌封料的热导率

研究团队将继续聚焦超低寄生参数封装设计、陡前沿强流触发拓扑构建和导热绝缘新材料的研发，支持电力系统和脉冲功率领域所需的功率模块向更高电压等级和功率密度发展。