绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor， IGBT）作为能源转换与传输的核心功率半导体器件，其可靠性是电力电子领域的研究重点。近年来，压接式（Press-Pack， PP）IGBT因其高功率密度和易于实现多芯片并联等优势，在柔性直流输电、新能源并网等高压大功率场合得到广泛应用。然而，在长期功率循环工况下，PP-IGBT模块内部的微动磨损（fretting wear）是其最常见的失效模式之一，会导致芯片表面粗糙度增加、接触热阻增大，进而加速器件老化。为了深入理解这一失效过程的物理机制并预测其损伤演化，来自北京工业大学数学学院电子封装技术与可靠性研究所的齐云志（Yunzhi Qi）、安童（Tong An）和秦飞（Fei Qin）团队开展了一项基于电-热-力多物理场耦合仿真的研究。该研究成果以《Simulation of chip surface damage of PP-IGBT under electro-thermal-mechanical loading condition》为题，发表于2024年举办的第25届国际电子封装技术大会（25th International Conference on Electronic Packaging Technology， ICEPT）会议论文集上。
本研究旨在通过建立精细化的电-热-力耦合有限元模型，模拟PP-IGBT器件在功率循环过程中的内部状态，量化计算其关键界面（特别是芯片表面铝金属化层与发射极钼层之间）的接触应力、相对位移场，并最终应用阿查德（Archard）磨损定律结合用户子程序，预测芯片表面铝金属化层的累积损伤分布。研究目标是揭示PP-IGBT在电-热-力多场载荷下产生微动磨损的微观力学机理，定位最易发生损伤的区域，为器件的结构优化和可靠性设计提供理论依据。
详细的工作流程如下： 该研究主要包含三个核心步骤：有限元模型的建立与电-热-力耦合分析、基于Archard磨损定律的磨损深度计算以及多周期累积损伤模拟。
第一步：有限元模型的建立与电-热-力耦合分析。 研究团队首先基于商业化有限元分析软件Abaqus，建立了PP-IGBT器件的三维精细化有限元模型。模型基于PP-IGBT典型的多层堆叠结构，从下至上依次为：发射极铜（Emitter Cu）、发射极钼（Emitter Mo， 简称E-Mo）、银垫片（Ag plate）、IGBT芯片（Chip）、集电极钼（Collector Mo）和集电极铜（Collector Cu）。为了在保证计算精度的前提下提升计算效率，研究中对模型进行了合理简化：省略了陶瓷外壳、门极弹簧、门极PCB板、塑料框架等次要部件，并将不规则形状的银层简化为与E-Mo层形状一致。模型中各材料层的几何尺寸（如半径、边长、厚度等）均依据实际器件参数设定（具体见论文中的Table I），并建立了完整的装配图（Fig.1）。研究者为模型中的所有材料（硅Si、铜Cu、铝Al、钼Mo、银Ag）赋予了精确的材料参数，包括导热系数、电导率、热膨胀系数、比热容、杨氏模量、泊松比和密度（具体参数见Table II和Table III）。随后，研究设定了模拟真实功率循环工况的边界条件和载荷：（1）边界条件：设定发射极表面为0电位面；环境温度设为23°C；发射极表面完全固定。（2）热载荷：设定集电极和发射极的表面散热温度为40°C。（3）电载荷：设定50A的直流电流从模型上端的集电极表面流入，从模型下端的发射极表面流出。在一个功率循环周期内，模型导通时间为2秒，冷却时间也为2秒。（4）力载荷：在IGBT芯片的垂直方向施加1200 N/cm²的压力。通过求解电-热-力耦合方程组，软件可以计算出模型在周期性功率负载下内部的瞬态温度场、应力场和位移场。这一步骤是后续磨损分析的基础，因为它提供了磨损计算所需的关键输入数据——接触界面上的实时接触应力（p）和相对滑动位移（s）。
第二步：基于Archard磨损定律的磨损深度计算。 为了量化微动磨损造成的材料损失，研究引入了经典的Archard磨损理论。该理论将磨损体积（V）表述为法向载荷（P）、总滑动距离（S）、材料硬度（H）和一个无量纲磨损系数（k）的函数：V = k * (P * S) / H。在本研究的有限元模型中，针对接触界面上的每一个节点，将其磨损深度（h）定义为：h = k1 * p * s，其中k1是局部磨损系数，p是该节点处的接触应力，s是该节点的相对滑动距离。为了实现磨损深度的自动计算和模型几何的实时更新，研究团队开发并调用了Abaqus软件的用户子程序UMESHMOTION。该子程序的工作流程是：在每一个有限元增量步中，根据当前步计算得到的接触应力和相对位移，利用上述公式计算出每个接触节点在当前增量步内产生的磨损深度。然后，在增量步结束时，按照计算出的磨损深度，将节点沿着其局部表面的法向进行移动，从而“削去”一层材料，更新模型的几何形状。通过这种方式，仿真可以动态地模拟材料表面因磨损而发生的形貌变化。
第三步：多周期累积损伤模拟。 在上述单次功率循环分析的基础上，研究将电-热-力耦合分析与磨损计算流程进行循环迭代。即，在每一个新的功率循环开始时，使用上一步磨损更新后的几何模型作为初始状态，重新施加电、热、力载荷进行耦合分析，得到新的应力位移场，再计算新的磨损深度并更新几何。如此循环往复，即可模拟成百上千次功率循环后，芯片表面铝金属化层的累积损伤（即总磨损深度）的分布情况。研究中特别选取了铝金属化层表面上五个具有代表性的位置（如Fig.6所示，包括中心区域、边缘中点、角落区域等），提取了它们在导通结束时刻（温度最高、变形最大）的接触应力和相对位移数据，计算了该时刻的瞬时磨损深度，并与1000次功率循环后的累积磨损深度进行了对比分析。
研究的主要结果如下： 1. 温度分布特征： 仿真结果（Fig.2和Fig.3）清晰地显示了PP-IGBT器件在功率循环中的温度变化规律。随着电流导通，各材料层温度持续上升，最高温度出现在芯片中心区域的硅材料处，达到60°C。温度从水冷的集电极/发射极铜层（约45°C）向中间的芯片位置逐渐升高，形成了约15°C的温差。集电极钼层和发射极钼层（E-Mo）的最高温度相近（约56°C），银垫片最高温度约为50°C。芯片内部的温度呈由中心向四周递减的分布，中心最高60°C，边界平均49°C。这种不均匀的温度分布是导致材料发生不均匀热膨胀，进而产生热应力和相对位移的根本原因。
2. 相对位移分布特征： 在器件达到最高温度时，铝金属化层与E-Mo层之间的相对位移分布如Fig.4所示。无论在X方向还是Y方向，相对位移均从铝金属化板的边缘向中心递减，最大相对位移出现在两者接触区域的边界处。具体而言，在X方向，铝板左右边界的位移方向相反，表明铝板在导通状态下在X方向受到挤压；在Y方向，铝板上下边界的位移方向也相反，表明铝板在Y方向呈现拉伸趋势。边界处最大相对位移量级在0.65-0.70微米之间，而中心区域的相对位移则小得多（量级为10^-6米），相差约200倍。这证明由于边缘约束较弱，热膨胀导致的弹性变形主要发生在接触区域的边缘和角落。
3. 接触应力分布特征： 与相对位移分布相反，接触应力的分布如Fig.5所示，是从中心向边缘递减。最大接触应力出现在铝金属化板中心的活性区域，达到21 MPa，而边界处的接触应力则在8-14 MPa之间。中心区域的接触应力大约是某些角落区域（如位置④， 3.44 MPa）的6倍。这说明在热膨胀作用下，中心区域材料膨胀受到更强的约束，因而产生了更高的法向接触压力。
4. 瞬时磨损深度与累积损伤： 基于五个代表性位置的接触应力与相对位移数据（见Table IV），计算得到的瞬时磨损深度显示，磨损深度从铝金属化板的边缘向中心显著减小。尽管中心区域（位置③）的接触应力最大，但其极小的相对位移导致其磨损深度最小（1.38e-10 mm）。相反，角落区域（如位置①和④）虽然接触应力较小，但其巨大的相对位移（是中心区域的数百倍）导致了更大的瞬时磨损深度（分别为57.07e-10 mm和45.06e-10 mm），最大值与最小值相差约50倍。这初步表明，在单次循环中，相对位移对磨损深度的贡献权重远大于接触应力。 对1000次功率循环的累积损伤模拟结果（Fig.7）完全验证了上述趋势。累积损伤主要发生在铝金属化板与E-Mo层接触的四个角落位置，最大磨损深度达到1.02e-5 mm。磨损深度从角落位置向中心位置逐渐减小。论文中给出的五个具体位置的累积磨损深度值（从位置①到位置③依次为1.02e-5， 3.94e-6， 3.06e-6， 7.09e-7， 2.73e-7 mm）与单次循环的瞬时磨损深度排序高度一致，清晰地描绘了从严重磨损的边界滑移区到轻微磨损的中心粘着区的损伤梯度。
研究的结论与价值： 本研究通过系统的电-热-力多物理场耦合仿真，成功揭示了PP-IGBT芯片表面铝金属化层在功率循环载荷下发生微动磨损的详细机制。核心结论是：PP-IGBT芯片表面的微动磨损具有显著的空间不均匀性，磨损损伤主要集中在铝金属化层与发射极钼层接触区域的边界和角落，而中心区域损伤较轻。 其内在机理在于：不均匀的温度场导致芯片中心区域热膨胀最剧烈，但受到周围材料的强约束，从而产生高接触应力但小相对位移，形成“粘着区”；而在接触边界，由于法向约束较弱，热膨胀更多地转化为横向的弹性滑动，产生大相对位移但较小接触应力，形成“滑移区”。根据Archard定律，大相对位移主导了磨损过程，因此滑移区（边界和角落）成为磨损累积的“热点”区域。 该研究的科学价值在于，它提供了一种结合多物理场耦合分析与磨损力学理论，来定量预测功率半导体器件界面失效演化的仿真方法学框架。研究不仅定性地解释了微动磨损的发生位置，更通过量化计算，明确了在PP-IGBT的特定工况下，相对位移是比接触应力更为关键的磨损驱动因子。其应用价值直接指向工程实践：该结论为PP-IGBT模块的可靠性设计与优化提供了关键指导。例如，工程师可以针对性地优化封装结构（如调整压力分布、改进界面材料或形状），以抑制边界区域过大的相对滑移，从而有效延缓微动磨损进程，提升器件在苛刻功率循环条件下的服役寿命。
本研究的亮点在于： 1. 研究方法的创新性： 将用于宏观摩擦学的Archard磨损定律，通过UMESHMOTION用户子程序，成功地集成到用于微观器件分析的有限元多物理场耦合仿真中，实现了对PP-IGBT芯片表面磨损从单次循环到长期累积的动态、定量化模拟。这是一种跨尺度的仿真方法创新。 2. 研究结论的明确性与反直觉性： 研究得出了明确且具有工程指导意义的结论——磨损最严重的区域并非接触应力最大的中心，而是相对位移最大的边界角落。这一结论可能挑战了“压力越大磨损越严重”的简单直觉，深化了对复杂载荷下微动磨损机理的理解。 3. 工程问题的深度机理挖掘： 研究没有停留在现象观察，而是通过精细的仿真，深入揭示了导致不均匀磨损分布的根本原因——电-热-力耦合作用下产生的不均匀温度场、应力场和位移场之间的相互作用逻辑，构建了从载荷到损伤的完整因果链条。
其他有价值的内容： 论文中给出的详细材料参数表、模型几何尺寸以及完整的边界条件设置，为其他研究者复现或借鉴该研究方法提供了充分的信息。同时，研究也指明了未来可以深入的方向，例如考虑磨损导致的表面粗糙度动态变化对接触热阻和电性能的反向影响，从而建立更完整的耦合失效模型。