隨著全球能源需求的持續(xù)增長，電力電子技術在各個領域的應用日益廣泛，對高壓、大功率設備中功率器件的需求顯著增加。絕緣柵雙極晶體管（IGBT）作為關鍵功率半導體器件，因其高開關速度和高功率密度被廣泛應用于電力傳輸、電機驅(qū)動和可再生能源領域。然而，隨著IGBT器件功率和工作電壓的不斷提高，其工作環(huán)境變得更為苛刻，對封裝材料提出了更高要求——必須具備優(yōu)異的電絕緣性能、高導熱性和高溫穩(wěn)定性，以確保器件在高溫、高壓和高功率條件下的長期可靠運行。目前，同時提高材料的導熱性能和擊穿強度仍是一個巨大挑戰(zhàn)。

近日，西安建筑科技大學王爭東副教授課題組提出了一種創(chuàng)新策略：通過引入有機電子受體NTCDA（1,4,5,8-萘四甲酸二酐）誘導環(huán)氧樹脂形成分子有序結構，從而同步提升其導熱性與電絕緣性能。研究表明，僅添加0.4 wt.%的NTCDA即可使室溫擊穿強度提升11.3%，高溫下性能保持穩(wěn)定，同時導熱系數(shù)提高約2倍，達到0.544 W·m?1·K?1。該研究為開發(fā)極端工況下高性能電子封裝材料提供了新思路。相關論文以“Molecularly Ordered Epoxy/Organic Acceptor Composites for Superior Thermal Transport and Electrical Insulation Performance”為題，發(fā)表在

Advanced Functional Materials

研究團隊通過溶劑輔助超聲分散技術將NTCDA分子級分散于含介晶單元的環(huán)氧體系中。有趣的是，加入微量NTCDA后，混合溶液顏色由淺黃變?yōu)榧t褐甚至深綠，偏光顯微鏡下可見大量橙紅色針狀/棒狀有序區(qū)域生成，表明NTCDA顯著誘導了有序結構的形成。廣角X射線衍射進一步證實，預固化后的薄膜在約20°處出現(xiàn)寬反射峰，表明形成了π–π堆疊的層狀分子有序結構，小角區(qū)出現(xiàn)的各向異性峰也證明了優(yōu)先取向的有序域存在。

圖1. a) 熔融混合物的一維廣角X射線衍射矢量圖； b) TMBP+TMB+NTCDA(BCE)的二維WAXD圖案； c) 分子結構與交聯(lián)網(wǎng)絡示意圖； d) BCE-0薄膜的偏光顯微鏡圖像； e) BCE-0薄膜的放大圖像； f) BCE-0.1薄膜； g) BCE-0.4薄膜； h) BCE-0.7薄膜； i) BCE-1薄膜。

熒光測試與紫外光譜分析顯示，NTCDA與富電子的TMBP/TMB之間形成電子給體-受體（EDA）復合物，在紫外光照射下發(fā)出明顯綠色熒光，且熒光強度隨NTCDA含量增加而增強。理論模擬表明，NTCDA的LUMO能級較低（-4.2 eV），而TMBP和TMB的HOMO能級較高（-3.7 和 -3.8 eV），滿足電子自轉移條件，促進EDA復合物形成，增強分子間作用力與共軛效應，從而誘導更緊密的分子堆疊。

圖2. a) 熔融混合物的一維衍射矢量圖； b) 能級圖（LUMO與HOMO能級）； c) 分子結構與交聯(lián)網(wǎng)絡示意圖； d) BCE-0薄膜的紫外-可見吸收光譜； e) 不同NTCDA含量樣品的熒光光譜。

分子動力學模擬與徑向分布函數(shù)分析表明，引入NTCDA后介晶單元間距減小，吸附能提高，分子排列更為緊密有序。寬角X射線散射結果進一步顯示，BGE-1樣品的分子間距從3.39 ?降至2.83 ?，證實NTCDA促進了更致密的分子排列，有利于聲子傳導和載流子束縛。

圖3. a) 聯(lián)苯-聯(lián)苯共軛吸附模型； b) 聯(lián)苯-萘共軛吸附模型； c) 分子間距與共軛吸附能模擬結果； d) BGE-0與BGE-1在室溫下的徑向分布函數(shù)圖； e) BGE-0與BGE-1在473K下的徑向分布函數(shù)圖； f) BGE-0與BGE-1環(huán)氧薄膜的寬角X射線散射譜曲線。

在電絕緣性能方面，添加0.4 wt.% NTCDA的環(huán)氧薄膜（BGE-0.4）室溫擊穿強度達117.04 kV·mm?1，較純環(huán)氧提高11.28%；在200°C高溫下仍保持101.18 kV·mm?1，僅下降13.55%。熱刺激去極化電流測試顯示，NTCDA引入后陷阱能級從1.32 eV升高至2.68 eV，有效抑制了載流子的遷移與脫陷，降低了漏電流和局部放電強度。此外，自由體積模擬表明BGE-0.4的自由體積分數(shù)更低，進一步限制了電子遷移。

圖4. a) BCE體系中含NTCDA環(huán)氧薄膜的擊穿強度Weibull分布圖； b) 30°C與200°C下?lián)舸姸戎担?c) 高溫電導率； d) BGE-0的熱刺激去極化電流擬合曲線； e) BGE-0.7的熱刺激去極化電流擬合曲線； f) 分子動力學模擬的自由體積分數(shù)； g) BGE-0、BGE-0.4與BGE-0.7的局部放電監(jiān)測圖； h) 在80 kV·mm?1電場下環(huán)氧薄膜的平均局部放電幅值。

在熱性能方面，NTCDA的引入顯著提升了環(huán)氧材料的熱導率。BGE-1和BGE-0.4的熱導率分別達到0.544和0.383 W·m?1·K?1，較純環(huán)氧提高95.7%和37.8。這種提升主要歸因于NTCDA誘導形成的有序域為聲子提供了快速傳導路徑。差示掃描量熱分析顯示，改性后的環(huán)氧材料具有更高的玻璃化轉變溫度（Tg > 210°C），進一步保障了高溫下的結構與性能穩(wěn)定性。

圖5. a) BAE體系中含NTCDA環(huán)氧薄膜的熱導率與熱擴散系數(shù)； b) BGE體系中含NTCDA環(huán)氧薄膜的熱導率與熱擴散系數(shù)； c) BGE體系熱導率測試的脈沖信號圖； d) 熱導率測試的閃光點信號圖； e) BGE-0與BGE-0.7的DSC曲線； f) 通過分子動力學模擬的DSC結果。

力學性能測試表明，BGE-0.4在保持拉伸強度基本不變的同時，斷裂伸長率顯著提高，模量適度上升，表現(xiàn)出更好的韌性與抗應變能力。在實際封裝測試中，BGE-0.4表現(xiàn)出優(yōu)異的局部放電起始與熄滅電壓，以及良好的熱循環(huán)穩(wěn)定性，顯著優(yōu)于商用雙酚A環(huán)氧樹脂。

圖6. a) 應力-應變曲線； b) 力學性能匯總； c) 封裝前的功率器件照片； d) 局部放電起始與熄滅電壓的電路連接圖； e) 整體封裝照片；（e1）側面封裝照片；（e2）連接點局部放大圖； f) BAE功率模塊在熱循環(huán)下的PDIV與PDEV； g) BGE-0.4功率模塊在熱循環(huán)下的PDIV與PDEV； h) 與以往報道的室溫熱導率對比； i) 與以往報道的室溫擊穿強度改善對比及本研究實現(xiàn)的高溫擊穿強度提升。

該研究通過引入NTCDA有機電子受體，成功實現(xiàn)了環(huán)氧樹脂材料在電絕緣性、導熱性、高溫穩(wěn)定性和力學性能方面的協(xié)同提升，為高性能電子封裝材料的設計提供了新范式。其所提出的分子有序誘導策略不僅適用于環(huán)氧體系，還具有向其他聚合物材料推廣的潛力，有望滿足未來電力設備在極端環(huán)境下的可靠運行需求。

來源：高分子科學前沿

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