CN100365783C - 提高环氧粉末包封的电子元器件击穿电压的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种提高环氧粉末包封的电子元器件击穿电压的设计方法，在电子元器件外加环氧粉末包封层，控制环氧粉末包封层的厚度、介电常数和电导率满足一定的关系来达到提高环氧粉末包封的电子元器件击穿电压的目的。本发明的方法操作性好，简便易行，可以根据生产实际应用的要求来调节包封层厚度、介电常数和电导率参数以达到目的。

Description

提高环氧粉末包封的电子元器件击穿电压的设计方法

技术领域

本发明涉及一种提高电子元器件击穿电压的设计方法，尤其涉及一种提高环氧粉末包封的电子元器件击穿电压的设计方法。

背景技术

电子元器件的封装起到对电子器件或集成电路的保护，与环境隔离以防止水分、尘埃及有害气体对电子器件或集成电路的侵入。随着电子领域中封装器件高性能化和高密度实装技术的迅速发展，要求封装材料和封装技术实现高性能化、多样化。现在的封装材料主要有金属、陶瓷和塑料，塑封技术的发展使得塑料已经占到整个封装材料的90％左右，并且该技术使用的封装材料90％是环氧树脂。

环氧树脂具有以下特性：与固化剂反应时，收缩率较小，没有副产物；固化后的产物具有优良的耐热性、电绝缘性能、密着性和介电性能等等。尽管环氧树脂作为绝缘封装材料具有诸多优势，但是由于包封后的电子元器件工作于各种不同的环境中，受空气湿度、光照、温度等外部环境因素的影响，包封料的介电性能、机械性能均会出现劣化。现今面临的最大问题就是环氧树脂绝缘粉末包封后的电子元器件在直流电压或者交流电压作用下的击穿电压不能再提高一个等级，这个缺点成为制约环氧包封电子元件进一步发展的瓶颈。

发明内容

为了提高环氧树脂绝缘粉末包封后的电子元器件在直流电压或者交流电压作用下的击穿电压，本发明的目是提供一种提高环氧粉末包封的电子元器件击穿电压的设计方法，使用这种方法能够明显提高环氧粉末包封的电子元器件的击穿电压。

本发明所采用的技术方案是：选择一固定型号的环氧绝缘粉末作为包封料实验样品，并选取同一批生产的电容器陶瓷片进行包封，根据环氧粉末包封层的厚度、电导率和介电常数满足的关系：E_1bε_r1＝E_2bε_r2，即可从降低或提高包封材料的ε_r和击穿场强以及改变外部包封层的厚度来提高电子元器件的击穿电压，环氧粉末包封层的厚度通过增加包封层的层数进行改变，即在所述电容器陶瓷片上进行超过一次，四次以下的包封，每次包封时控制每一层的厚度均匀，将包封试样放入80℃烘箱内干燥48小时，干燥过程中，温度变化不超过5℃，干燥完毕后，将试样取出放在干燥皿内，降至室温23℃时进行测量。

上述方案中，所述环氧粉末包封层的厚度通过增加包封层的层数进行改变，即在所述电容器陶瓷片上最好进行四次包封，每次包封时控制每一层的厚度均匀。

本发明的有益效果是：本发明的提高环氧粉末包封的电子元器件击穿电压的设计方法，根据环氧粉末包封层的厚度、介电常数和电导率满足的关系：E_1bε_r1＝E_2bε_r2，通过超过一层，四层以下包封控制环氧粉末包封层的厚度，即可以达到提高包封后的电子元器件击穿电压的目的，这种方法操作性好，简便易行，可以通过改变环氧粉末包封层厚度、介电常数和电导率参数来提高电子元器件的击穿电压以达到生产实际应用的要求。

从实验结果可知，包封四次的试样在不同受潮时间时的击穿电压分布在8kV～10kV之间，且发现包封四次的试样在受潮51小时之后的击穿电压最高，从包封四次的试样的击穿电压分布图中可见，受潮后的环氧粉末包封层的击穿场强虽然降低，但同时介电常数增加，根据E_1bε_r1＝E_2bε_r2试样整体击穿电压反而还可提高。

附图说明

图1是双层复合电介质模型图；

图2是陶瓷电容器纵向剖面图；

图3是环氧粉末相对介电常数ε和介质损耗tgδ随含水量变化的关系图；

图4是环氧粉末包封层厚度不同的的陶瓷电容器；(从左至右依次为包封一次，两次，三次和四次)；

图5是不同受潮时间的陶瓷电容器击穿电压的分布图，其中a是包封一次的陶瓷电容器击穿电压的分布图，b是包封四次的陶瓷电容器击穿电压的分布图。

具体实施方式

下面通过附图对本发明进行详细说明。

提高环氧粉末包封的电子元器件击穿电压的设计方法，在电子元器件外加环氧粉末包封层，按照以下方式控制环氧粉末包封层的厚度、介电常数和电导率：

参见图1，环氧粉末包封层的厚度、电导率和介电常数分别为d₁、d₂、r₁、r₂和ε_r1ε_r2，外施电压为U及两层介质中的场强分别为E₁、E₂，介质的平均场强为E，两层电介质的损耗角正切为tgδ₁、tgδ₂，该介质在交变电压作用下，层电介质中的电场强度和总的平均电场强度的关系为

$E_1=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{r2}\sqrt{1+{\mathrm{tg}}^2{\mathrm{\δ}}_2}d}{\sqrt{{({\mathrm{\ϵ}}_{r1}{d}_2\mathrm{tg}{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_{r2}{d}_1\mathrm{tg}{\mathrm{\δ}}_2)}^2{({\mathrm{\ϵ}}_{r1}{d}_2+{\mathrm{\ϵ}}_{r2}{d}_1)}^2}}E$

$E_1=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{r1}\sqrt{1+{\mathrm{tg}}^2{\mathrm{\δ}}_1}d}{\sqrt{{({\mathrm{\ϵ}}_{r1}{d}_2\mathrm{tg}{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_{r2}{d}_1\mathrm{tg}{\mathrm{\δ}}_2)}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_{r1}{d}_2+{\mathrm{\ϵ}}_{r2}{d}_1)}^2}}E$

在交变电压下双层电介质具有最大击穿电压的条件是

$E_{1b}{\mathrm{\ϵ}}_{r1}\sqrt{1+{\mathrm{tg}}^2{\mathrm{\δ}}_1}=E_{2b}{\mathrm{\ϵ}}_{r2}\sqrt{1+{\mathrm{tg}}^2{\mathrm{\δ}}_2}$

式中E_1b和E_2b分别为各层的击穿场强，由于环氧粉末固化物和陶瓷电容器的tanδ远小于1，所以环氧粉末包封层的厚度、电导率和介电常数满足的关系为：E_1bε_r1＝E_2bε_r2。

由于电子元器件的本身的基本参数d₂、r₂、ε_r2是固定不变的，即可从降低或提高包封材料的ε_r和击穿场强以及改变外部包封层的厚度来提高电子元器件的击穿电压。

以环氧粉末绝缘粉末包封的电容器为试验样品，该试样的纵向剖面图如图2所示，阴影部分为陶瓷电容片，该阴影与外部椭圆型轮廓之间的部分为环氧粉末包封层。通过受潮实验提高试样环氧粉末包封层的介电常数和降低试样环氧粉末包封层的击穿场强，同时测试试样在不同包封厚度和介电常数的情况下与试样击穿场强之间的关系，具体测试实验设计如下：

1.试样制备：

选择某一厂家生产的固定型号的环氧绝缘粉末作为包封料实验样品，并选取同一批生产的电容器陶瓷片进行包封，控制样品的包封层厚度，分别包封一层、两层、三层和四层，并分别将各层包封成品编号分组以备实验。

2.实验步骤：

2.1试样预处理：

将四组试样放入80℃烘箱内干燥48小时，干燥过程中，确保试样不会和其它物体发生面接触，并且保证烘箱内温度分布均匀，温度变化不超过5℃。干燥完毕后，将试样取出放在干燥皿内，室温23℃降温，以备测量。

2.2击穿电压测量：

a.将已干燥降温至室温的每种样品分为四组，即将每个包封同一厚度的样品均分成四组；

b.对第一组的干燥试样进行交流电压击穿实验；

c.将其他三组试样放入温度为50℃、湿度95％RH的恒温恒湿箱内每24小时取出一组试样进行交流电压击穿实验；

由于陶瓷电容器受潮后其外部的环氧粉末包封层的介电常数和击穿场强发生改变，即介电常数和介质损耗均随着含水量的增加而升高，如图3所示，相对介电常数从常态时的3.8升高到4.2。

环氧粉末包封层的厚度通过增加包封层的层数进行改变，如图4所示，分别进行一次到四次的包封，每次包封时控制每一层的厚度均匀。

3.实验结果与结论：

不同厚度和不同介电常数的试样的击穿电压的改变如图5所示，图a为包封一次，图b为包封四次的陶瓷电容器交流高压击穿的分布趋势，可以看到包封一次的试样不同受潮时间时的击穿电压分布为6kV～10kV，而包封四次的试样在不同受潮时间时的击穿电压分布在8kV～10kV之间，明显比包封一次的试样的击穿电压要高；另外一方面，可以看到包封一次的试样在干燥状态下的击穿电压分布在8kV～9kV之间，比它在受潮时的击穿电压要高，而分析包封四次的试样，发现在受潮51小时之后的击穿电压最高，综合考虑包封一次试样和包封四次试样的最高击穿电压的出现情况，完全符合控制试样的击穿电压的理论分析，即包封一次的试样的环氧粉末包封层的厚度较薄，所以击穿电压比包封四次的试样低。环氧粉末的介电常数干燥状态时比在受潮时要高，所以在包封一次的击穿电压图上看到了干燥时的试样的击穿电压最高，对于包封四次的试样的击穿电压分布图中的现象，是由于受潮后的环氧粉末包封层的击穿场强降低，同时介电常数增加共同作用而提高试样整体击穿电压的典型表现。

Claims (2)

1.一种提高环氧粉末包封的电子元器件击穿电压的设计方法，其特征在于，选择一固定型号的环氧绝缘粉末作为包封料实验样品，并选取同一批生产的电容器陶瓷片进行包封，环氧粉末包封层的厚度通过增加包封层的层数进行改变，即在所述电容器陶瓷片上进行超过一次，四次以下的包封，每次包封时控制每一层的厚度均匀，将包封试样放入80℃烘箱内干燥48小时，干燥过程中，温度变化不超过5℃，干燥完毕后，将试样取出放在干燥皿内，降至室温23℃时进行测量。

2.根据权利要求1所述的提高环氧粉末包封的电子元器件击穿电压的设计方法，其特征在于，在所述电容器陶瓷片上进行四次包封。

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