專利名稱：提高環(huán)氧粉末包封的電子元器件擊穿電壓的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高電子元器件擊穿電壓的設(shè)計(jì)方法，尤其涉及一種提高環(huán)氧粉末包封的電子元器件擊穿電壓的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
電子元器件的封裝起到對(duì)電子器件或集成電路的保護(hù)，與環(huán)境隔離以防止水分、塵埃及有害氣體對(duì)電子器件或集成電路的侵入。隨著電子領(lǐng)域中封裝器件高性能化和高密度實(shí)裝技術(shù)的迅速發(fā)展，要求封裝材料和封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)高性能化、多樣化?，F(xiàn)在的封裝材料主要有金屬、陶瓷和塑料，塑封技術(shù)的發(fā)展使得塑料已經(jīng)占到整個(gè)封裝材料的90％左右，并且該技術(shù)使用的封裝材料90％是環(huán)氧樹脂。
環(huán)氧樹脂具有以下特性與固化劑反應(yīng)時(shí)，收縮率較小，沒有副產(chǎn)物；固化后的產(chǎn)物具有優(yōu)良的耐熱性、電絕緣性能、密著性和介電性能等等。盡管環(huán)氧樹脂作為絕緣封裝材料具有諸多優(yōu)勢(shì)，但是由于包封后的電子元器件工作于各種不同的環(huán)境中，受空氣濕度、光照、溫度等外部環(huán)境因素的影響，包封料的介電性能、機(jī)械性能均會(huì)出現(xiàn)劣化。現(xiàn)今面臨的最大問題就是環(huán)氧樹脂絕緣粉末包封后的電子元器件在直流電壓或者交流電壓作用下的擊穿電壓不能再提高一個(gè)等級(jí)，這個(gè)缺點(diǎn)成為制約環(huán)氧包封電子元件進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高環(huán)氧樹脂絕緣粉末包封后的電子元器件在直流電壓或者交流電壓作用下的擊穿電壓，本發(fā)明的目是提供一種提高環(huán)氧粉末包封的電子元器件擊穿電壓的設(shè)計(jì)方法，使用這種方法能夠明顯提高環(huán)氧粉末包封的電子元器件的擊穿電壓。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提高環(huán)氧粉末包封的電子元器件擊穿電壓的設(shè)計(jì)方法，在電子元器件外加環(huán)氧粉末包封層，按照以下方式控制環(huán)氧粉末包封層的厚度、介電常數(shù)和電導(dǎo)率環(huán)氧粉末包封層的厚度、電導(dǎo)率和介電常數(shù)分別為d1、d2、r1、r2和εr1εr2，外施電壓為U及兩層介質(zhì)中的場(chǎng)強(qiáng)分別為E1、E2，介質(zhì)的平均場(chǎng)強(qiáng)為E，兩層電介質(zhì)的損耗角正切為tgδ1、tgδ2，該介質(zhì)在交變電壓作用下，層電介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度和總的平均電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系為E1=ϵr21+tg2δ2d(ϵr1d2tgδ1+ϵr2d1tgδ2)2+(ϵr1d2+ϵr2d1)2E]]>E1=ϵr11+tg2δ1d(ϵr1d2tgδ1+ϵr2d1tgδ2)2+(ϵr1d2+ϵr2d1)2E]]>在交變電壓下雙層電介質(zhì)具有最大擊穿電壓的條件是E1bϵr11+tg2δ1=E2bϵr21+tg2δ2]]>式中E1b和E2b分別為各層的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，由于環(huán)氧粉末固化物和陶瓷電容器的tanδ遠(yuǎn)小于1，所以環(huán)氧粉末包封層的厚度、電導(dǎo)率和介電常數(shù)滿足的關(guān)系為E1bεr1＝E2bεr2，由于電子元器件的本身的基本參數(shù)d2、r2、εr2是固定不變的，即可從降低或提高包封材料的εr和擊穿場(chǎng)強(qiáng)以及改變外部包封層的厚度來提高電子元器件的擊穿電壓。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的提高環(huán)氧粉末包封的電子元器件擊穿電壓的設(shè)計(jì)方法，通過控制控制環(huán)氧粉末包封層的厚度、介電常數(shù)和電導(dǎo)率，使之滿足一定的關(guān)系，可以達(dá)到提高包封后的電子元器件擊穿電壓的目的，這種方法操作性好，簡(jiǎn)便易行，可以通過改變環(huán)氧粉末包封層厚度、介電常數(shù)和電導(dǎo)率參數(shù)來提高電子元器件的擊穿電壓以達(dá)到生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用的要求。


圖1是雙層復(fù)合電介質(zhì)模型圖；圖2是陶瓷電容器縱向剖面圖；圖3是環(huán)氧粉末相對(duì)介電常數(shù)ε和介質(zhì)損耗tgδ隨含水量變化的關(guān)系圖；圖4是環(huán)氧粉末包封層厚度不同的的陶瓷電容器；(從左至右依次為包封一次，兩次，三次和四次)；圖5是不同受潮時(shí)間的陶瓷電容器擊穿電壓的分布圖，其中a是包封一次的陶瓷電容器擊穿電壓的分布圖，b是包封四次的陶瓷電容器擊穿電壓的分布圖。
具體實(shí)施例方式
下面通過附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
提高環(huán)氧粉末包封的電子元器件擊穿電壓的設(shè)計(jì)方法，在電子元器件外加環(huán)氧粉末包封層，按照以下方式控制環(huán)氧粉末包封層的厚度、介電常數(shù)和電導(dǎo)率參見圖1，環(huán)氧粉末包封層的厚度、電導(dǎo)率和介電常數(shù)分別為d1、d2、r1、r2和εr1εr2，外施電壓為U及兩層介質(zhì)中的場(chǎng)強(qiáng)分別為E1、E2，介質(zhì)的平均場(chǎng)強(qiáng)為E，兩層電介質(zhì)的損耗角正切為tgδ1、tgδ2，該介質(zhì)在交變電壓作用下，層電介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度和總的平均電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系為
E1=ϵr21+tg2δ2d(ϵr1d2tgδ1+ϵr2d1tgδ2)2+(ϵr1d2+ϵr2d1)2E]]>E1=ϵr11+tg2δ1d(ϵr1d2tgδ1+ϵr2d1tgδ2)2+(ϵr1d2+ϵr2d1)2E]]>在交變電壓下雙層電介質(zhì)具有最大擊穿電壓的條件是E1bϵr11+tg2δ1=E2bϵr21+tg2δ2]]>式中E1b和E2b分別為各層的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，由于環(huán)氧粉末固化物和陶瓷電容器的tanδ遠(yuǎn)小于1，所以環(huán)氧粉末包封層的厚度、電導(dǎo)率和介電常數(shù)滿足的關(guān)系為E1bε1＝E2bεr2。
由于電子元器件的本身的基本參數(shù)d2、r2、εr2是固定不變的，即可從降低或提高包封材料的εr和擊穿場(chǎng)強(qiáng)以及改變外部包封層的厚度來提高電子元器件的擊穿電壓。
以環(huán)氧粉末絕緣粉末包封的電容器為試驗(yàn)樣品，該試樣的縱向剖面圖如圖2所示，陰影部分為陶瓷電容片，該陰影與外部橢圓型輪廓之間的部分為環(huán)氧粉末包封層。通過受潮實(shí)驗(yàn)提高試樣環(huán)氧粉末包封層的介電常數(shù)和降低試樣環(huán)氧粉末包封層的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，同時(shí)測(cè)試試樣在不同包封厚度和介電常數(shù)的情況下與試樣擊穿場(chǎng)強(qiáng)之間的關(guān)系，具體測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下1.試樣制備選擇某一廠家生產(chǎn)的固定型號(hào)的環(huán)氧絕緣粉末作為包封料實(shí)驗(yàn)樣品，并選取同一批生產(chǎn)的電容器陶瓷片進(jìn)行包封，控制樣品的包封層厚度，分別包封一層、兩層、三層和四層，并分別將各層包封成品編號(hào)分組以備實(shí)驗(yàn)。
2.實(shí)驗(yàn)步驟2.1試樣預(yù)處理
將四組試樣放入80℃烘箱內(nèi)干燥48小時(shí)，干燥過程中，確保試樣不會(huì)和其它物體發(fā)生面接觸，并且保證烘箱內(nèi)溫度分布均勻，溫度變化不超過5℃。干燥完畢后，將試樣取出放在干燥皿內(nèi)，室溫23℃降溫，以備測(cè)量。
2.2擊穿電壓測(cè)量a.將已干燥降溫至室溫的每種樣品分為四組，即將每個(gè)包封同一厚度的樣品均分成四組；b.對(duì)第一組的干燥試樣進(jìn)行交流電壓擊穿實(shí)驗(yàn)；c.將其他三組試樣放入溫度為50℃、濕度95％RH的恒溫恒濕箱內(nèi)每24小時(shí)取出一組試樣進(jìn)行交流電壓擊穿實(shí)驗(yàn)；由于陶瓷電容器受潮后其外部的環(huán)氧粉末包封層的介電常數(shù)和擊穿場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生改變，即介電常數(shù)和介質(zhì)損耗均隨著含水量的增加而升高，如圖3所示，相對(duì)介電常數(shù)從常態(tài)時(shí)的3.8升高到4.2。
環(huán)氧粉末包封層的厚度通過增加包封層的層數(shù)進(jìn)行改變，如圖4所示，分別進(jìn)行一次到四次的包封，每次包封時(shí)控制每一層的厚度均勻。
3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論不同厚度和不同介電常數(shù)的試樣的擊穿電壓的改變?nèi)鐖D5所示，圖a為包封一次，圖b為包封四次的陶瓷電容器交流高壓擊穿的分布趨勢(shì)，可以看到包封一次的試樣不同受潮時(shí)間時(shí)的擊穿電壓分布為6kV～10kV，而包封四次的試樣在不同受潮時(shí)間時(shí)的擊穿電壓分布在8kV～10kV之間，明顯比包封一次的試樣的擊穿電壓要高；另外一方面，可以看到包封一次的試樣在干燥狀態(tài)下的擊穿電壓分布在8kV～9kV之間，比它在受潮時(shí)的擊穿電壓要高，而分析包封四次的試樣，發(fā)現(xiàn)在受潮51小時(shí)之后的擊穿電壓最高，綜合考慮包封一次試樣和包封四次試樣的最高擊穿電壓的出現(xiàn)情況，完全符合控制試樣的擊穿電壓的理論分析，即包封一次的試樣的環(huán)氧粉末包封層的厚度較薄，所以擊穿電壓比包封四次的試樣低。環(huán)氧粉末的介電常數(shù)干燥狀態(tài)時(shí)比在受潮時(shí)要高，所以在包封一次的擊穿電壓圖上看到了干燥時(shí)的試樣的擊穿電壓最高，對(duì)于包封四次的試樣的擊穿電壓分布圖中的現(xiàn)象，是由于受潮后的環(huán)氧粉末包封層的擊穿場(chǎng)強(qiáng)降低，同時(shí)介電常數(shù)增加共同作用而提高試樣整體擊穿電壓的典型表現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種提高環(huán)氧粉末包封的電子元器件擊穿電壓的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，按照以下方式控制環(huán)氧粉末包封層的厚度、介電常數(shù)和電導(dǎo)率以環(huán)氧粉末包封的電子元器件的電介質(zhì)物理模型可簡(jiǎn)化為雙層復(fù)合電介質(zhì)，其中環(huán)氧粉末包封層和電子元器件的的厚度、電導(dǎo)率及介電常數(shù)分別為d1、d2、r1、r2和εr1εr2，外施電壓U，d為雙層介質(zhì)總厚度，兩層介質(zhì)中的場(chǎng)強(qiáng)分別為E1、E2，該復(fù)合介質(zhì)的平均場(chǎng)強(qiáng)為E，兩層電介質(zhì)的損耗角正切為tgδ1、tgδ2，復(fù)合介質(zhì)在交變電壓作用下，各層電介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度和總的平均電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系為E1=ϵr21+tg2δ2d(ϵr1d2tgδ1+ϵr2d1tgδ2)2+(ϵr1d2+ϵr2d1)2E]]>E2=ϵr11+tg2δ1d(ϵr1d2tgδ1+ϵr2d1tgδ2)2+(ϵr1d2+ϵr2d1)2E]]>在交變電壓下雙層電介質(zhì)具有最大擊穿電壓的條件是E1bϵr11+tg2δ1=E2bϵr21+tg2δ2]]>式中E1b和E2b分別為各層的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，由于環(huán)氧粉末固化物和陶瓷電容器的tanδ遠(yuǎn)小于1，所以環(huán)氧粉末包封層的厚度、電導(dǎo)率和介電常數(shù)滿足的關(guān)系為E1bεr1＝E2bεr2，由于電子元器件的本身的基本參數(shù)d2、r2、εr2是固定不變的，即可從降低或提高包封材料的εr和擊穿場(chǎng)強(qiáng)以及改變外部包封層的厚度來提高電子元器件的擊穿電壓。
全文摘要
一種提高環(huán)氧粉末包封的電子元器件擊穿電壓的設(shè)計(jì)方法，在電子元器件外加環(huán)氧粉末包封層，控制環(huán)氧粉末包封層的厚度、介電常數(shù)和電導(dǎo)率滿足一定的關(guān)系來達(dá)到提高環(huán)氧粉末包封的電子元器件擊穿電壓的目的。本發(fā)明的方法操作性好，簡(jiǎn)便易行，可以根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用的要求來調(diào)節(jié)包封層厚度、介電常數(shù)和電導(dǎo)率參數(shù)以達(dá)到目的。
文檔編號(hào)H01G4/002GK1645581SQ20051004165
公開日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2005年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月24日
發(fā)明者李盛濤, 梁磊, 李建英 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)