这篇发表于《IEEE Transactions on Power Electronics》第39卷第10期（2024年10月）的学术论文，由来自中国电子科技大学、重庆大学、成都信息工程大学及重庆平创半导体研究院有限公司的任宽 Liu、Li Hui、Luo Xiaorong、Yao Ran、Lai Wei、Wei Jie、Wang Xiao、Li Zhaoji、Zhang Bo和Chen Xianping等人共同撰写。这是一项关于提升压接式绝缘栅双极型晶体管模块短路耐受能力的原创性研究工作。
学术背景与目标
压接式绝缘栅双极型晶体管作为一种重要的高功率密度半导体器件，以其双面散热、低热阻以及在短路冲击后失效模式稳定等优点，广泛应用于高压直流输电断路器等高要求场景。在这些应用中，器件可能承受高达额定电流5至6倍的短路电流，导致结温急剧上升，对模块的可靠性构成严峻挑战。因此，提升压接式绝缘栅双极晶体管的短路耐受能力，对于增强电力电子装备在极端故障下的鲁棒性和可靠性具有关键意义。
以往改善短路耐受能力的研究，多集中于优化IGBT芯片本身的设计，例如采用嵌入式镇流电阻或调整终端隔离深沟槽结构等。然而，通过优化封装结构来提升这一性能的研究相对较少，且已有的封装优化方案（如改变芯片焊接方式、使用钼立方块替代键合线、集成相变材料等）效果有限，提升幅度普遍仅在5%左右，或对微秒级的短路过程几乎无改善。考虑到封装优化通常具有更高的成本效益，开展针对短路耐受能力的封装优化研究具有显著价值。
本研究旨在填补这一研究空白。其核心目标是：首先，建立一个能够精确描述压接式绝缘栅双极晶体管在短路瞬态过程中电-热-机械多物理场行为的有限元模型，用以识别导致其失效的薄弱区域。其次，基于此模型，设计一种靶向优化封装结构，并探究其优化规律。最后，通过全面的实验测试（短路、阻断电压、功率循环）来验证该优化封装在提升短路耐受能力方面的有效性和长期可靠性。
详细研究流程
本研究是一个融合了建模、仿真、优化设计与实验验证的系统性工程，主要流程可分为以下四个相互关联的部分：
1. 电-热-机械多物理场瞬态有限元模型建立
本研究流程的基石是建立一个高精度的三维电-热-机械耦合瞬态有限元模型。该模型以一个具体的3.3kV/50A压接式绝缘栅双极晶体管为对象。建模的关键在于准确表征三个物理场之间的耦合关系：电流产生的焦耳热导致温度升高；温度变化引起材料热膨胀，产生应力和接触压力变化；接触压力又反过来影响各组件接触面间的接触电阻和接触热阻，从而改变电流分布和热传导路径，形成一个闭环的耦合系统。
研究团队使用COMSOL Multiphysics软件构建此模型。模型精确包含了集电极铜板、集电极钼板、IGBT芯片、发射极钼板、发射极铜板、银垫片、栅极引脚及框架等所有关键部件。特别地，考虑到发射极钼板的面积通常略小于IGBT芯片的有源区以确保高压绝缘，研究团队将芯片有源区划分为“发射极钼板覆盖区”和“非发射极钼板覆盖区”。模型的边界条件根据实际测试工况设定，包括施加1kN的夹紧力、注入短路电流、设定环境温度和散热系数等。
在材料参数设定上，除了常规的温度相关电导率（对于芯片外的组件）和力学性能参数外，研究的创新点体现在两个方面。一是针对IGBT芯片在超高电流密度下的瞬态特性，其电导率并非采用常规的经验公式，而是基于课题组自行进行的短路测试实测数据（电压、电流波形）反向推导并拟合得到的一个与时间相关的函数。二是通过理论公式将接触电阻和接触热阻与接触压力进行关联，使模型中这些关键参数能够动态反映机械应力的变化。经过精细网格划分后，模型包含超过79万个单元，平均单元质量达到0.9，为后续的精确仿真奠定了基础。
2. 基于模型的短路失效分析与薄弱区域识别
在模型建立后，研究团队首先进行了实验与仿真相结合的失效分析。实验方面，他们搭建了短路测试平台，对四只规格相近的常规压接式绝缘栅双极晶体管模块进行了破坏性测试。测试电压为1.5kV，持续施加栅极信号直至器件失效，通过捕捉集电极电流的突增点来确定短路耐受时间。实验结果显示，四只模块的平均短路耐受时间约为24.05微秒，平均临界失效能量为13.25焦耳。失效后对芯片的检查发现，所有烧毁点均位于“非发射极钼板覆盖区”。
随后，他们利用前述有限元模型对短路过程进行仿真。仿真结果清晰地揭示了失效机理：在短路过程中，由于“非发射极钼板覆盖区”上方仅有薄层的铝金属化层，其热容远低于厚实的钼板，导致该区域产生的热量无法被快速导出和吸收，从而造成热量积累，温度急剧升高。仿真结果显示，在失效时刻（24μs），“发射极钼板覆盖区”的最高温度仅为430K，而“非发射极钼板覆盖区”的最高温度已飙升至890K，超过了结区的临界温度，引发热失控，最终导致器件毁坏。这一结果与实验中所有失效点均位于该区域的观察完全吻合。因此，研究团队明确地将“非发射极钼板覆盖区”确定为压接式绝缘栅双极晶体管短路耐受能力的薄弱区域。这一发现为后续的针对性优化指明了方向。
3. 靶向优化封装的设计与仿真优化
确定了薄弱区域后，研究的目标转变为如何有效增强该区域的散热能力。考虑到“非发射极钼板覆盖区”靠近高电场强度的终端区域，使用高导热金属材料可能引发局部放电或闪络风险。因此，研究团队创造性地提出采用一种具有较高热容（比热容3800 J/(kg·K)）的绝缘有机硅材料，涂抹在芯片表面特定区域，以减缓短路过程中的温升速率。
设计过程首先通过仿真优化了有机硅涂覆的图案。他们比较了三种图案：1) 仅覆盖“非发射极钼板覆盖区”；2) 仅覆盖终端区域；3) 覆盖除“发射极钼板覆盖区”和栅极区域外的整个芯片表面。仿真以890K为失效判据，结果显示第三种图案的优化效果最为显著，可将短路耐受时间从常规的24μs提升至59.1μs，增幅高达146%。其次，他们优化了涂覆厚度。仿真表明，当有机硅涂层厚度从0.1mm增加到0.3mm时，芯片最高温度显著下降；厚度超过0.3mm后，降温效果趋于饱和。因此，确定0.3mm为兼顾优化效果与工艺可行性的最小有效厚度。
4. 优化器件的制备与实验验证
根据仿真优化的结果，研究团队制备了四只采用优化封装（即“靶向优化封装”）的压接式绝缘栅双极晶体管模块。他们开发了一套专用的涂覆工艺，利用垫高胶带控制涂层厚度（约0.8mm），并施加预夹紧力防止有机硅渗入接触界面，成功制备出结构完整的优化模块。
随后，进行了三个层面的实验验证： * 短路耐受能力测试：对优化模块进行与常规模块相同的短路测试。结果显示，优化模块的平均短路耐受时间提升至51.2μs，平均临界失效能量提升至27.4J，相比常规模块分别提高了106%和132%，与仿真预测（59.1μs）的误差在合理范围内（平均误差5.4%，最大误差8.8%），充分验证了优化方案的有效性和模型的准确性。 * 阻断电压测试：测试表明，在高达3kV的集电极-发射极电压下，优化模块的漏电流小于0.8μA，证明有机硅涂层的引入并未损害器件的高压绝缘性能。 * 功率循环可靠性测试：为了评估优化封装在长期运行中的可靠性，研究团队对优化模块和常规模块进行了50,000次功率循环加速老化测试。测试条件严苛（电流为额定值的1.4倍）。测试结束后，优化模块的饱和压降和结壳热阻的增长幅度与常规模块相当，甚至略优，且均远低于失效判据（饱和压降增长5%或热阻增长20%），表明靶向优化封装具有良好的长期工作可靠性。
主要结论与价值
本研究得出以下核心结论： 1. 揭示了失效机理：通过建立的电-热-机械多物理场瞬态有限元模型，首次清晰揭示了压接式绝缘栅双极晶体管在短路过程中的失效源于“非发射极钼板覆盖区”因热容不足导致的热量积累，明确了该区域是短路耐受能力的结构薄弱点。 2. 提出了创新解决方案：提出并设计了一种靶向优化封装方案，通过在芯片薄弱区域涂覆高热容绝缘有机硅材料，有效减缓了短路瞬态的温升速率。 3. 实现了性能显著提升：实验证实，该优化方案能将压接式绝缘栅双极晶体管模块的短路耐受时间和临界失效能量均提升100%以上，这是通过封装优化手段取得的一次重大性能突破。 4. 验证了全面可靠性：优化后的模块在保持优异高压绝缘性能的同时，其功率循环寿命与常规模块相当，证明了该方案不仅提升了极限性能，也保证了长期使用的可靠性。
本研究的价值体现在： * 科学价值：建立了一个高度精确、可用于分析压接型器件瞬态极端工况的多物理场耦合模型，为同类器件的失效分析和结构设计提供了强大的仿真工具和理论指导。 * 工程应用价值：所提出的靶向优化封装方案原理清晰、工艺相对简单、成本可控，为电力电子装备，特别是对短路鲁棒性有极高要求的高压直流断路器等场景，提供了一种有效提升核心器件可靠性的可行技术路径，具有直接且重要的产业应用前景。
研究亮点
本研究的亮点突出体现在以下几个方面： 1. 问题切入新颖：不同于主流的芯片端优化，独辟蹊径地从封装结构角度解决短路耐受难题，并取得了远超以往封装优化方案的性能提升。 2. 方法论先进：构建了紧密结合电、热、机械场的瞬态耦合有限元模型，特别是采用实验数据标定芯片瞬态电导率、以及动态关联接触参数与压力，极大提升了模型在极端短路工况下的预测精度。 3. “靶向”设计理念：基于精确的失效机理分析，进行“对症下药”式的局部强化，而非整体结构的改动，设计思路巧妙且高效。 4. 验证体系完整：研究流程从建模、仿真、设计优化到实验验证，形成了完整闭环。验证不仅包括性能提升，还涵盖了高压绝缘和长期可靠性，结论坚实可信。
其他有价值内容
论文中提供的详细材料参数表、接触电阻/热阻的理论计算公式、以及具体的功率循环测试电路和热阻近似计算公式，对于其他研究人员复现或借鉴本工作具有很高的参考价值。此外，研究团队对多种优化图案和厚度的系统性仿真对比，也为探索其他可能的优化方案提供了数据基础和比较基准。