本项研究由来自ABB瑞士有限公司（ABB Switzerland Ltd.）的Satish Gunturi与Daniel Schneider共同完成，其研究成果以《On the Operation of a Press Pack IGBT Module Under Short Circuit Conditions》为题，发表于2006年8月的《IEEE Transactions on Advanced Packaging》期刊第29卷第3期。

这项研究聚焦于电力电子封装领域，具体针对应用于高压直流（High-Voltage Direct Current， HVDC）输电系统的压接式绝缘栅双极型晶体管（Press Pack Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）模块。研究的背景源于HVDC系统的特殊可靠性需求：系统中串联的多个IGBT模块，若其中一个发生故障，理想状况是形成稳定的低阻抗短路（即短路失效模式， Short Circuit Failure Mode， SCFM），让冗余模块接管其阻断电压的功能，从而保证系统不间断运行直到维护。因此，理解并确保模块在短路失效模式下能够稳定工作一段时间，直至最终以开路方式安全失效，对于系统设计至关重要。然而，从封装材料学的角度，对于短路形成后，构成短路通道的金属合金在其整个寿命周期内的演变、老化直至最终失效的微观机理，尚缺乏深入认知。本研究正是旨在填补这一空白，从材料科学层面定性描述压接式IGBT模块在短路失效模式下，从短路通道形成、老化到最终开路失效的各个阶段及其背后的物理化学机制。

研究采用了加速寿命测试结合中断分析的方法，详细的工作流程如下： 第一步：实验样本制备与短路通道初始化。 研究对象是功能完整的IGBT子模块。子模块的构造包含硅（Si）芯片、钼（Mo）基板、铝（Al）血小板、弹簧组件等关键部件。硅芯片通过铅-锡（Pb-Sn）焊料安装在钼基板上，铝血小板通过弹簧组件压在硅芯片发射极一侧，整个结构用硅凝胶填充绝缘。实验开始前，研究人员首先对一个子模块中的某个硅芯片施加过电压，人为诱导其失效，从而在硅芯片与铝血小板之间形成一个初始的、稳定的金属合金短路通道。 第二步：加速老化测试与过程监测。 将已形成短路通道的子模块置于加速测试条件下，以模拟长期运行。测试主要施加高电流（1000-1500安培，相位有效值）并进行负载循环。在整个测试过程中，持续监测并记录子模块两端的电压降随时间的变化曲线。为了更精细地了解老化过程，研究没有等待所有样本自然失效，而是特意在不同老化阶段中断测试，获取处于不同退化状态的样本进行分析。 第三步：多尺度材料表征与分析。 对中断测试的样本进行详细的材料学分析是本研究的关键。首先，为了定位早期阶段可能不明显的短路合金区域，研究人员使用了扫描声学显微镜（Scanning Acoustic Microscopy, SAM）进行无损检测。随后，对目标区域进行切割，制备金相剖面样品。样品经过从粗到细的碳化硅砂纸研磨（从100目到4000目），最后使用胶体二氧化硅溶液进行抛光，以清晰揭示合金区的微观结构。对于某些样品，还使用0.5%体积分数的氢氟酸水溶液或Kallings试剂进行化学蚀刻，以便在光学显微镜下更好地观察特定相（如Al-Si共晶组织或Mo-Al-Si金属间化合物）。表征手段综合运用了光学显微镜、扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）、能谱分析（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDX）进行化学成分分析，并利用显微硬度计测量不同区域的硬度分布。这些分析旨在揭示导致短路通道最终开路失效的微观机制。

研究取得了系统性且相互关联的结果，详细阐述如下： 关于电学性能的宏观表现： 电压监测数据显示，在1500A电流下，短路子模块的初始压降在700-1000 mV之间，并在初期（几分钟到一小时）存在波动。随后，在寿命的大部分时间里，电压会稳定在一个相对较低的特定值（300-700 mV）。在最终以开路形式失效前的几小时内，电压通常会再次出现波动，然后急剧上升。这种电压变化模式为后续的微观结构分析提供了宏观的时间标尺和性能关联线索。 关于短路合金通道的宏观演化： 通过对不同阶段中断的样本进行观察，发现短路合金通道的尺寸会随时间增长。在测试初期（几小时）中断的样本中，合金通道直径约为1毫米；而在运行数百小时后失效的样本中，合金通道几乎扩散至整个铝血小板的尺寸。这表明，在SCFM操作期间，短路合金通道是一个动态扩展的过程。同时，电压较低的样本通常显示出更大的合金通道面积，表明更大的熔融接触面积带来了更好的导电性。 关于早期短路通道的微观结构与成分： 对运行约21小时后中断的早期样本（图3）进行SEM和EDX分析，揭示了短路通道的初始形态。在钼基板上方形成了一个半球形的、相对均匀的Al-Si合金区域。EDX成分分析确认该合金为过共晶成分（硅含量约16 wt.%），平均显微硬度约为166 HV。在这个Al-Si合金球中，嵌入了因在铝中溶解度低而残存的Pb-Sn焊料球。在Al-Si合金上方区域，则分布着大量的Ni-Al金属间化合物针状物以及未熔化的初生硅片，它们镶嵌在铝基体中。这些Ni-Al针状物源于铝血小板上用于防腐和辅助焊接的镍镀层与基板的相互作用。重要的是，Al-Si过共晶合金被发现与钼基板直接接触，这意味着在短路形成的瞬间高能量脉冲下，焊料和镍镀层被“吹离”了Mo-Si界面。尽管存在导电性较差的初生硅片（硬度~980 HV），但它们并未立即阻断电流路径，可能是导致早期电压波动的原因。 关于老化过程中的关键退化机制——液态金属腐蚀与金属间化合物形成： 对处于中期和最终失效阶段的样本分析，揭示了导致性能退化的核心机理。在钼基板与合金的界面处，发现了大量向各个方向分支的长裂纹（图8）。高倍SEM观察和EDX分析表明，这些裂纹内部充满了主要由Al和Mo组成的凝固物质。这表明，在短路通道形成和运行期间，熔融的铝（来自Al-Si合金）与钼基板接触，引发了液态金属腐蚀。钼在高温下对熔融铝的耐腐蚀性较差，导致铝沿钼的晶界渗透，形成裂纹并固化在其中。随后，铝、硅与钼在裂纹内发生相互扩散，形成了各种富含Al、Mo、Si的金属间化合物（图9）。这些裂纹有两个有害特征：1）裂纹壁与内部形成的金属间化合物/合金之间出现接触损失（间隙）；2）产生更多分支裂纹。这两者都增加了电流路径的电阻。 此外，在短路合金内部，随机分布着多种硬而脆的金属间化合物相。一个被广泛观察到的相是Mo5Si3Alx，其形成过程被推断为：从基板上因腐蚀而脱落的钼颗粒，在熔融合金中与硅反应生成MoSi2，然后MoSi2再被铝熔体渗透，通过反应生成Mo5Si3Alx（图11）。文献指出，MoSi2本身具有低的热导率和电导率以及高硬度。这些随机分布的、导电性差的金属间化合物（如Ni-Al相，硬度~560 HV；以及各种Mo-Al-Si相）大量出现在老化后期的合金中。 关于最终失效的微观证据与关联： 显微硬度测试清晰地反映了老化程度。在接近失效的样本中，短路合金大部分区域的硬度超过700 HV，顶部区域最高可达约1000 HV（图5），远高于早期样本（硬度普遍低于275 HV）。这证实了在老化后期，合金中形成了高体积分数的硬脆金属间化合物。对失效后样本的观察（图12）显示，钼基板界面变得极不规则，有大块的钼从基板上撕裂出来，合金与基板的接触质量严重恶化。综合来看，金属间化合物的低导电性和脆性，加上液态金属腐蚀导致的基板开裂和接触恶化，共同导致短路通道的电阻不断增加。电阻增大产生更多的欧姆热，这又进一步加剧了铝的熔融、腐蚀、裂纹扩展和金属间化合物的形成，形成一个正反馈的退化循环，最终可能导致氧化或物理断开，从而使短路通道转变为开路，模块完全失效。

本研究的结论系统阐明了压接式IGBT模块短路失效模式的全过程机理。研究证实，通过控制铝血小板和硅芯片的厚度，可以形成成分接近共晶点的、相对稳定的Al-Si合金短路通道，从而在维护周期内维持导电。然而，在运行过程中，熔融铝会对钼基板造成液态金属腐蚀，产生裂纹。随着时间的推移，从基板脱落的钼颗粒与硅、铝相互作用，在短路合金内部形成多种金属间化合物。这些金属间化合物通常导电性差、质地脆硬，它们的形成降低了合金的整体电导率，同时也导致合金与基板之间的附着力变差。短路通道电导率的下降使得其电阻和欧姆热耗散增加，而增加的热量又反过来加速了材料的退化（如进一步腐蚀、形成更多金属间化合物和氧化），最终导致短路通道因性能恶化而转变为开路，完成其“安全失效”的使命。

这项研究的科学价值在于首次从电子封装材料的角度，系统揭示了压接式IGBT在短路失效模式下内部微观结构的动态演变规律，明确了液态金属腐蚀和金属间化合物形成是导致其长期可靠性退化的关键机制。其应用价值直接服务于HVDC等高压大功率系统的可靠性设计与寿命评估：研究结果为优化压接式IGBT模块的材料选择（如接触材料、镀层）、界面设计以及制定更准确的加速寿命测试方案提供了重要的理论依据和实验数据，有助于设计出在故障时既能可靠短路又能预期寿命后安全开路的“失效友好型”功率模块。

本研究的亮点突出体现在以下几个方面：首先，研究视角新颖，将宏观的电性能退化与微观的材料结构演变紧密结合，完整描绘了从“短路形成”到“短路维持”再到“最终开路”的全寿命周期材料行为图谱。其次，方法论具有特色，采用了“加速测试 + 多阶段中断 + 多尺度表征”的组合研究策略，从而能够捕捉到动态老化过程中不同时间节点的关键微观结构特征，而不是仅仅观察起始和终点状态。最后，明确了核心失效机理，首次在该类器件中详细论证了液态金属腐蚀（熔融Al对Mo基板的攻击）以及由此引发的多种低电导率金属间化合物（如Mo5Si3Alx）的形成与积累，是导致短路通道电阻增加并最终失效的根本原因，这一发现对后续的材料改进具有明确的指导意义。

此外，文中还提到了一些有价值的技术细节，例如利用扫描声学显微镜（SAM）来定位早期不可见的短路合金区，显示了先进无损检测技术在失效分析中的重要作用；研究中也参考了相关领域的基础研究成果，如Al-Mo相图和MoSi2被Al渗透的反应机理，体现了其工作的扎实性和继承性。这些内容共同构成了一份关于功率器件在极端失效模式下材料行为研究的经典案例。