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本文档报告了一项关于烧结银（sintered silver）基直接冷却绝缘栅双极晶体管（IGBT）的原创性研究，由Bowen Zhang、Xinyan Lu、Yibin Sun、Youzheng Wang（IEEE会员）和Yun-Hui Mei（IEEE高级会员）合作完成，研究团队来自天津工业大学（Tiangong University）。该研究于2025年9月发表在IEEE Transactions on Device and Materials Reliability（第25卷第3期）。

1. 学术背景

IGBT模块在直流/交流（DC/AC）功率转换过程中会产生大量热量，因此需要高效的直接冷却（direct-cooled）散热结构。目前，商用热界面材料（Thermal Interface Materials, TIMs）如导热硅脂和锡基焊料（如SAC 305）存在导热性能低、长期使用易失效等问题。相比之下，烧结银（sintered silver, Ag）具有高导热性（>200 W/mK）、高熔点（961°C）和优异的机械稳定性，被认为是下一代功率器件封装的关键材料。然而，在直接冷却结构中，烧结银的大面积连接（>400 mm²）可能导致有机溶剂分解不完全，从而影响连接层的可靠性。

本研究旨在利用烧结银作为DBC（Direct Bonded Copper）基板与散热器之间的热界面材料，开发高输出功率和热可靠性的直接冷却IGBT模块，并通过实验和仿真验证其性能优势。

2. 研究流程

研究主要包括以下几个关键步骤：

（1）有限元仿真分析

• 仿真模型：采用Fluent软件建立稳态热仿真模型，包含芯片（Si）、烧结银连接层、DBC基板（Cu-Si₃N₄-Cu）、散热器（Cu）等结构（图1）。
  
• 流体-固体耦合传热：模拟冷却液（流速10 L/min，入口温度26°C）对模块的散热效果。
  
• 对比分析：比较烧结银-IGBT（sintered Ag-IGBTs）和SAC 305-IGBTs的温度分布、热阻等参数。
  

（2）模块制备

• 材料：实验室自制银浆（80 μm厚）用于DBC与散热器的连接，商用SAC 305作为对比材料。
  
• 工艺：
  
  • 银浆通过丝网印刷和300°C烧结实现连接（图4a）。
    
  • SAC 305采用回流焊工艺（图4b）。
    
  • 芯片与DBC通过烧结银连接（260°C，无压力烧结）。
    
  • 采用超声波焊接完成电气互连，并封装模块（图3）。
    

（3）电性能测试

• 静态I-V特性：测试不同栅极电压（Vge=12 V, 15 V, 18 V）下的输出电流（Ice）。
  
• 动态开关特性：通过双脉冲测试（double-pulse test）测量开关时间（ton/toff）和开关损耗（Eon/Eoff）。
  

（4）热性能测试

• 瞬态热阻抗（Zth）曲线：基于JESD51-14标准，采用瞬态双界面法测量模块的热阻。
  
• 红外热成像（IR）：监测芯片表面温度分布，验证散热均匀性。
  

3. 主要结果

（1）仿真结果

• 烧结银-IGBTs的最高芯片温度（90.53°C）比SAC 305-IGBTs（92.32°C）低1.99%。
  
• 烧结银模块的高温区域（HTR）比例显著降低，表明其散热均匀性更优（表II）。
  

（2）电性能

• 输出电流提升：在Vge=18 V、Vce=1.482 V条件下，烧结银-IGBTs的输出电流达848 A，比SAC 305-IGBTs（812 A）高4.4%（图6）。
  
• 开关损耗降低：烧结银模块的总开关损耗（Eall）为4.537 mJ，比SAC 305模块（6.135 mJ）降低26%（图7）。
  

（3）热性能

• 热阻降低：烧结银模块的稳态热阻比SAC 305模块低11.9%（图8）。
  
• 芯片结温降低：在200 A加热电流下，烧结银模块的芯片平均结温比SAC 305模块低5.6°C（图9, 10）。
  

4. 结论与意义

本研究通过烧结银实现了DBC与散热器的大面积连接（63×40 mm²），显著提升了直接冷却IGBT模块的输出功率和热可靠性。具体价值包括：
- 科学价值：验证了烧结银作为高性能TIMs的可行性，为功率器件封装提供了新的热管理路径。
- 应用价值：模块的开关损耗降低26%，输出电流提升4.4%，可推动高功率密度应用（如电动汽车、可再生能源发电）的发展。

5. 研究亮点

• 创新方法：首次将烧结银应用于直接冷却IGBT的大面积连接，解决了传统材料的可靠性问题。
  
• 多维度验证：结合仿真、电性能测试和热分析，全面评估了烧结银模块的性能优势。
  
• 工业适用性：采用的丝网印刷和低温烧结工艺易于规模化生产。
  

6. 其他有价值内容

• 研究中开发的瞬态热阻抗测试方法（基于JESD51-14标准）为功率模块的热性能评估提供了可靠方案。
  
• 红外热成像数据（图9）直观展示了烧结银模块的散热均匀性，为后续优化提供了依据。