Nanotechnology编辑优选：纳米改善封装材料的非线性电导和材料特性

图1. (a) 外施方波电压波形，(b) 三结合点附近的最大电场强度

此外，相比于有机硅弹体微米复合材料，纳米氮化铝掺杂提高了有机硅弹体微纳米共混复合材料的热分解温度、导热系数、拉伸强度、杨氏模量、交联度，降低了其热膨胀系数和断裂伸长率。

本文首次通过有限元仿真研究了非线性电导材料对封装结构中暂态电应力的作用规律，首次通过界面势垒模型揭示了纳米掺杂对非线性电导特性和陷阱特性的影响机理：纳米氮化铝分布在微米碳化硅中起到桥接作用，构建了更多更短的导电路径，从而降低了有机硅弹体微纳米复合材料的深陷阱密度，增强了其非线性电导系数和电子隧穿效应；此外纳米氮化铝/微米碳化硅异质势垒高度高于微米碳化硅之间的同质势垒高度，从而使有机硅弹体微纳米复合材料的陷阱能级和开关场强增大、低场电导率和电荷跳跃距离降低，如图2所示。

图2. S20和S20N3中的非线性电导机制示意图

研究背景：

碳化硅宽禁带功率模块逐渐向更高电压（>10 kV）和更高温度（>200 °C）方向发展，以实现更高的功率密度。因为有机硅弹体具有耐高温特性、低储能模量等特性，当其作为封装材料时，可以有效限制封装结构在高温下的机械应力，所以它是高温封装的首选。封装结构中陶瓷基板/封装材料/金属层三结合点处产生的高电应力容易导致局部放电甚至是绝缘失效。通过掺杂半导电填料，可以将有机硅弹体封装材料实现非线性电导功能化，以削弱三结合点处的高电场，此外，掺杂纳米陶瓷填料可以进一步提高非线性电导复合材料的介电强度和热学性能。然而，纳米掺杂对非线性电导特性的影响机理，以及在方波电压下非线性电导材料对三结合点的暂态电应力削弱作用鲜有研究。