西安建筑科技大学研究团队提出一种IGBT灌封用高性能液晶环氧的新思路

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随着绝缘栅双极型晶体管（IGBT）在工业应用上向高电压、大功率方向发展，对其散热、耐热、绝缘性能提出了更高的要求，亟须研制出一种高性能的绝缘灌封材料。西安建筑科技大学新能源电工材料课题组提出利用联苯型环氧单体与联苯胺固化剂双液晶分子构筑液晶畴，调控材料热学及电气性能。本文为系列论文（一），着重研究其热力学性能。

研究背景

随着大功率IGBT应用领域越来越广泛，一方面，其应用环境温度升高，如目前硅基IGBT和碳化硅IGBT的最高结温分别为150℃和175～200℃，而未来高性能功率器件最高结温将大于200℃，在此极端高温环境下易导致灌封材料绝缘失效；另一方面，高电压大功率使得器件产生的热量也不断增加，材料内部的热应力易导致材料出现开裂现象；此外，在应用过程中还时常出现过电压、电场分布不均等情况，导致局部放电和电击穿等情况。击穿故障、高温过热、材料开裂等问题致使IGBT成为脆弱且极易绝缘失效的组件之一，因此亟须开发出高热导率、高耐热、高绝缘的强韧灌封材料。

论文所解决的问题及意义

环氧树脂凭借其优异的力学、介电、粘结、尺寸稳定、低固化收缩率和热膨胀系数等特性，广泛应用于电气装备绝缘灌封领域。然而，其低热导率、弱耐热性能使其在碳化硅、氮化镓及未来高压大功率IGBT灌封领域的应用受到了限制。

为了获得功率器件灌封用高性能聚合物，通过分子链结构设计来构建多尺度有序结构是解决材料导热、绝缘和耐热相互掣肘的关键。液晶环氧得益于致晶基元 π-π 作用自组装，构筑液晶或介晶态超分子有序结构使其具有高的本征热导率，且引入刚性结构可使其耐热性能在理论上获得提升。同时，液晶环氧在交联固化前为低粘度液体，对于电气装备灌封工艺的适用性强。

论文方法及创新点

不同固化剂的调控会导致不同液晶相形貌的出现，固化反应差异性是由不同芳香族二胺固化剂的反应活性不同引起的，因此在本研究中利用液晶型联苯胺固化剂TMB交联液晶环氧单体TMBP，极高交联程度下表现出致密的液晶畴形貌，见图1。

图1 双致晶基元液晶环氧的POM观测

进一步研究了液晶畴以及联苯基元对热导率和耐热特性的影响，液晶环氧Tg的升高得益于高聚物中刚性联苯结构和液晶畴的影响，当主链上引入苯基、联苯基、共轭双键等刚性基团时，分子链的刚性会增大，Tg随之升高，Tg高达247℃，见图2(a)。同时，通过分子动力学模拟手段，确定高交联度液晶理想模型Tg可达583.5K，证明该材料具备优异的耐高温性能，完全可以适应大部分功率电力电子器件的工作环境温度，见图2(b)。

(a)液晶环氧和传统环氧的DSC曲线 (b)液晶环氧Tg仿真图

图2 液晶环氧材料耐热特性表征

非晶和液晶聚合物不同的导热机理造成两者存在明显的热导率差异，两者的导热机理如图3(a)所示。对于非晶聚合物，聚合链中存在大量缺陷和随机取向结构，因此振动波通过一条曲折的途径传播，随机的振动和弯曲会严重影响声子传输，造成声子散射。而液晶聚合物的高度有序取向结构成为了声子的有效传导路径。因此得益于高度有序的刚性液晶畴结构，热导率提升至0.351 W/(m·K)，较传统环氧提高了64.0%，见图3(b)。

(a)非晶和液晶聚合物的热传导机理图 (b)液晶环氧热导率表征柱状图

图3 液晶环氧材料导热研究及表征

结论

新型高性能环氧树脂的研制及应用为绝缘材料领域散热性能和绝缘性能的协同提升提供了新思路。本文调节了刚性联苯基元浓度和固化条件，制备出高性能液晶环氧树脂，详细分析了液晶环氧内部液晶有序结构对导热和耐热特性的影响。

本研究结果表明，得益于液晶环氧中刚性联苯致晶基元近乎平面的结构，使液晶环氧较传统环氧表现出更为优异的导热和耐热性能，高性能双致晶基元热导率达到0.351 W/(m·K)，较传统环氧提高了64.0%；其Tg更是高达247℃，相较于传统环氧提高了76.4%。

团队介绍

新能源电工材料与储能技术培育团队依托于耐磨材料与技术教育部工程研究中心、陕西省纳米材料与技术重点实验室、西安市清洁能源重点实验室，团队自2021年成立，研究方向为面向高压大功率电气装备用电工材料与储能关键技术，目前团队成员主持在研国家自然科学基金项目3项、国防军工子课题1项、省部级项目多项，并且在期刊Advanced Materials、High Voltage、IEEE TDEI等期刊发表高水平论文多篇，且ESI高被引论文4篇，申请及授权发明专利10余项。

王争东

西安交通大学博士、克莱姆森大学联合培养博士，高层次引进人才D类，西安建筑科技大学校聘教授，以第一作者或通讯作者发表论文40余篇，其中20余篇为SCI一区和二区论文及高电压绝缘领域顶级期刊High Voltage和IEEE TDEI等，4篇为ESI高被引论文。主持国家自然科学基金青年项目、陕西省自然科学基金青年项目等纵向课题6项，其中国家级和省部级项目4项。Nature communication等期刊审稿人，申请及授权发明专利5项。

曹晓龙

硕士研究生，研究方向为功率器件用新型环氧超材料。

本工作成果发表在2025年第1期《电工技术学报》，论文标题为“高压大功率IGBT用液晶环氧性能研究（一）：热导率与耐热特性“。本课题得到国家自然科学基金青年项目、电力设备电气绝缘国家重点实验室开放课题、陕西省自然科学基金青年项目、陕西省产学研协同创新计划项目和陕西省教育厅服务地方专项产业化培育重点项目资助。

引用本文

王争东, 曹晓龙, 杨淦秋, 罗盟, 周远航. 高压大功率IGBT用液晶环氧性能研究（一）：热导率与耐热特性[J]. 电工技术学报, 2025, 40(1): 273-284. Wang Zhengdong, Cao Xiaolong, Yang Ganqiu, Luo Meng, Zhou Yuanhang. Research on Properties of Liquid Crystalline Epoxy for High-Voltage and Large-Power IGBT (Part 1 ): Thermal Conductivity and Heat Resistance Performance. Transactions of China Electrotechnical Society, 2025, 40(1): 273-284.

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