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作者及发表信息

本研究由Siyang Dai（学生会员，IEEE）、Zheng Liu（会员，IEEE）、Zhiqiang Wang（会员，IEEE）、Yao Zhao和Guofeng Li（会员，IEEE）合作完成，作者单位均为大连理工大学电气工程学院。论文发表于IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics，2022年10月第10卷第5期。

学术背景

研究领域与背景
本研究聚焦于电力电子领域，具体针对压接式注入增强栅极晶体管（Press-Pack Injection Enhanced Gate Transistor, PP-IEGT）的可靠性问题。PP-IEGT是东芝公司基于压接式IGBT（PP-IGBT）开发的高功率半导体器件，具有双面散热、低导通电阻和高电压耐受等优势，广泛应用于高压直流输电（HVDC）和轨道交通等领域。然而，其金属层间的电接触状态（electrical contact status）会因热循环（thermal cycling）和机械应力而退化，最终导致器件失效。

研究动机与目标
现有研究多关注传统焊接封装器件的失效机制，而对压接式模块的长期接触退化缺乏系统性分析。本研究旨在通过有限元模拟（FEM）、微观检测和功率循环测试（Power Cycling Test, PCT），量化PP-IEGT中金属层（铝-钼接触对）的接触疲劳与退化，并探究不同接触状态（如夹紧力不足）对器件性能的影响。

研究流程与方法

1. 有限元模拟（FEM）分析

• 研究对象：单芯片模块（尺寸见图1b），包含铜集电极、铜发射极、钼（Mo）保护板及表面铝（Al）层。
  
• 方法：通过多物理场耦合模型（Workbench模块）模拟加热（30秒）和冷却（30秒）过程中的热机械应力，分析接触间隙（contact gap）、塑性应变及微动磨损（fretting wear）。
  
• 关键参数：铝与钼的热膨胀系数（CTE）差异（Al: 23.5 ppm/K, Mo: 4.9 ppm/K）导致横向位移；夹紧力（clamping force）设定为0.5–2 kN。
  
• 结果：模拟显示，加热阶段铝层中心接触间隙达38 μm（无夹紧力时），边缘因塑性变形无法完全恢复；微动磨损幅度（δ）超过临界值（10⁻² μm），验证了接触疲劳的严重性。

2. 功率循环测试（PCT）实验

• 实验设计：
  
  • 测试对象：东芝单芯片PP-IEGT（额定4.5 kV/75 A），通过自制夹具施加可控夹紧力（3.5–6 kN）。
    
  • 电流选择：基于输出特性曲线拐点（19 A/2.3 V），避免温度系数对结果的干扰。
    
  • 测试条件：分多组实验（表III），变量包括夹紧力、加热时间（ton=5–30秒）及温度波动（ΔTj=20–70°C）。
    
• 监测方法：
  
  • 接触电阻（rme）与导通电阻（rce）：通过开尔文四线法实时测量。
    
  • 结温（Tj）：采用低电流注入法（100 mA）校准，结合红外相机辅助验证。
    

3. 微观结构检测

• 检测技术：扫描电子显微镜（SEM）和光学显微镜观察铝层表面形貌。
  
• 样本处理：在2k、5k、8k、10k次循环后中止实验，检测裂纹、磨损及粗糙度（Sa）。
  
• 关键发现：
  
  • 微动磨损：芯片边缘和角落出现显著磨损（图10）。
    
  • 裂纹与电迁移：SEM显示晶界沟槽和空洞聚集（图11），归因于热循环导致的塑性变形。
    
  • 粗糙度增长：Sa从2k次循环的1.549 μm增至10k次的10.124 μm（图13），接触电阻同步上升（图14）。
    

4. 并行芯片对比实验

• 目的：模拟实际模块中接触不足的芯片（如边缘位置）。
  
• 方法：在芯片集电极侧附加铜箔（0.2 mm）人为制造接触间隙，对比正常与不足接触分支的退化差异。
  
• 结果：接触不足分支的rme增长更快（图20-21），尤其在低夹紧力（3.5 kN）和长加热时间（ton=30秒）下更为显著。

主要研究结果

1. 接触退化机制：
   
   • 热机械应力：周期性膨胀与收缩导致铝层塑性变形，引发微动磨损和裂纹。
     
   • 电阻增长：rme呈线性增长（最高22.3%），rce在失效前突增（图15-16），表明接触退化先于芯片老化。
     
2. 失效模式：
   
   • 烧蚀失效：接触分离导致局部放电（图17），角落区域因电场集中更易击穿（图18）。
     
3. 夹紧力与热参数影响：
   
   • 夹紧力不足（<3.5 kN）会显著加速退化；长加热时间（ton=30秒）使寿命缩短50%以上。
     

结论与价值

科学价值：
- 首次系统量化了PP-IEGT中铝-钼接触对的退化过程，揭示了热机械应力与电参数漂移的关联性。
- 提出的多方法联合分析框架（FEM+PCT+微观检测）为压接式器件可靠性研究提供了新范式。

应用价值：
- 指导优化夹紧力设计（推荐≥5 kN）和热管理策略（控制ΔTj≤50°C），延长器件寿命。
- 为HVDC等高压应用中的故障预测与健康管理（PHM）提供理论依据。

研究亮点

1. 创新方法：结合数值模拟、原位电阻监测与高分辨率微观检测，全面解析接触退化。
   
2. 关键发现：明确了接触电阻线性增长是失效前兆，弥补了传统仅关注导通电阻突变的不足。
   
3. 工程指导性：通过并行芯片实验，验证了实际模块中接触不均匀性的危害，为封装工艺改进提供依据。
   

其他有价值内容

• 理论公式拓展：文中推导了接触电阻（rcont）与粗糙度的定量关系（公式9-10），为后续建模奠定基础。
  
• 跨学科关联：将电气接触理论（如微动磨损临界值）与功率半导体失效分析结合，拓宽了研究视角。
  

（全文约2400字）