本文是一篇研究论文，发表于《IEEE Transactions on Power Electronics》期刊，2025年10月第40卷第10期，由邓二平（合肥工业大学）、孙宏宇、孙元、吴立新、钟艳、潘茂洋、严宇兴和黄永章（华北电力大学）等人共同完成。该研究针对高压直流输电（HVDC）系统对更高功率和可靠性的需求，提出了一种新型的D型压接式绝缘栅双极晶体管（Press Pack IGBT，简称PP IGBT）封装结构。这项研究属于电力电子器件封装领域，特别是大功率半导体器件的封装设计与可靠性研究。

研究背景方面，压接式IGBT因其无引线、无焊层、双面散热、易于串联、可靠性高等特点，被认为是柔性高压直流输电应用的最佳选择。随着柔性直流输电系统的快速发展，对IGBT的电流等级（例如高达10，000 A）和寿命（例如40年）提出了前所未有的高要求。目前市场上存在两种主流的压接式IGBT技术路线：一种是基于基座和直接接触技术的P型PP IGBT，另一种是为每个芯片单元配备独立碟形弹簧的S型PP IGBT。然而，这两种结构各有优缺点：P型结构存在电极翘曲导致的压力与结温分布不均问题，S型结构则存在需要极高夹紧力（达110 kN）和单面散热等问题。因此，亟需一种能够结合两者优点、克服其缺点的封装方案。本研究的目标即是提出并验证一种新型D型PP IGBT封装结构，旨在实现极高的电流和热性能，同时降低所需夹紧力，改善电流和温度分布的均匀性，从而满足未来超大规模、高可靠性电力电子系统的需求。

研究的详细工作流程围绕D型封装结构的设计、仿真分析与实验验证全面展开。研究首先从概念设计入手，提出了D型PP IGBT的具体结构。该结构将多个IGBT芯片堆栈分为四个对称的子模块，每个子模块由一个碟形弹簧支柱承受总夹紧力。关键创新在于引入了可弯曲的导流片和环氧树脂框架。导流片在夹紧过程中可沿滑道弯曲，既能保证电热接触，又能补偿芯片堆栈的热位移，类似于S型中的碟簧功能。环氧树脂框架则将芯片堆栈物理分隔，极大地削弱了P型结构中存在的热机械耦合效应，被认为是导致压力分布不均的根源。研究中以4500V/2700A的D型结构为具体实例进行设计，其尺寸（118 mm × 118 mm × 28.4 mm）与现有125mm直径的P型3000A产品相当，但远小于S型3000A产品的235mm尺寸，意味着更高的功率密度。

在完成结构设计后，研究团队运用了多种仿真与实验手段进行系统性分析。电气行为方面，他们利用有限元仿真软件（如Q3D）提取了封装内部的寄生电感参数，并在双脉冲测试电路中进行仿真。特别地，他们提出并应用了一种通过定制印刷电路板（PCB）来调节每个芯片堆栅极回路电阻值的方法，以补偿因布局差异引起的栅极信号延迟，从而改善多芯片并联时的动态均流特性。仿真不仅针对2700A原型，还扩展到了6000A（72个芯片）和10，000A（128个芯片）的虚拟设计，验证了该结构在高电流等级下的均流潜力。热性能和机械性能是研究的另一核心。研究团队首先对单个芯片堆栈单元在不同接触技术（直接接触、单面烧结、双面烧结）下的热-电特性进行了基础测试。他们测量了不同夹紧力下的结-壳热阻（Rthjc）和导通压降（Vce），确定了采用双面烧结银技术的芯片堆栈仅需约500 N的夹紧力即可达到稳定的低热阻和低压降状态，这远低于传统结构所需。为了进一步降低对芯片的机械应力，研究还探索了在芯片堆栈与集电极之间插入100 μm厚银片作为热界面材料（TIM）的方案，成功将所需夹紧力进一步降至350 N。在器件整体层面，研究建立了电-热-机械多物理场耦合有限元模型，以模拟分析D型、P型和S型三种结构在夹紧阶段和工作（加热）阶段的压力分布与结温分布。仿真清晰地展示了P型结构因集电极翘曲导致边缘芯片压力低、温度高，中心芯片压力高、温度低的不均匀现象；而D型结构则表现出与S型结构类似的、更为均匀的压力和温度分布，且温度高点主要集中在中心区域，这主要是由热耦合效应而非机械效应引起。

为了验证仿真结果的准确性，研究团队搭建了专门的实验测试平台。他们制造了4500V/2700A和4500V/6000A（实际测试电流为4700A）的D型PP IGBT样机。测量多芯片并联器件内部结温分布是一项挑战，他们采用了之前已发表的“顺序Vce(t)方法”这一创新测量技术。该方法的流程是：首先，通过一个6000A的大电流源对被测器件（DUT）加热至稳态；然后，断开负载电流，依次顺序地给每个并联芯片的栅极施加一个小测量电流（500 mA），并测量其在冷却过程中的饱和压降Vce；由于Vce与结温存在校准关系，从而可以计算出每个芯片在工作状态下的实际温度。测试中，器件被双面水冷散热器夹持，夹紧力通过带有压力传感器的夹具精确控制，夹具内的碟形弹簧用于吸收器件发热时的热膨胀，保持测试过程中夹紧力的稳定。实验条件设定为：加热时间5秒，冷却时间5秒，进水温度25°C。对于2700A器件，施加20 kN总压力；对于6000A器件，施加45 kN总压力。

研究取得了一系列明确的成果。电气仿真结果表明，通过PCB上的栅极电阻补偿，D型结构中的各个芯片可以在开通和关断过程中实现几乎相同的动态时间，从而获得良好的电流均流效果，这一优势在高达10，000A的仿真设计中依然得以保持。基础测试结果证实，采用双面烧结技术的芯片堆栈仅需500 N（加银片后仅需350 N）的夹紧力即可获得优异的热-电接触性能，这为大幅降低整体夹紧力奠定了基础。有限元仿真结果直观对比了三种结构：D型结构在20 kN夹紧力下，压力分布极为均匀；而P型（60 kN）和S型（110 kN）则分别表现出边缘/中心压力不均和中心压力过小的缺陷。在相同的芯片发热功率下，D型结构的结温分布也明显比P型更均匀，与S型相似，高温区集中在器件中心。更深入的分析显示，D型结构的压力差（δFc）和结温差（δTjc）在不同总夹紧力下保持稳定，而整体热阻（Rthjc）在总压力达到约20 kN（2700A器件额定值）后趋于饱和，证明结构设计的有效性。针对6000A和10，000A的扩展仿真表明，即使电流和尺寸大幅增加，D型结构依然能维持极低的压力差（分别为11.13 N和19.77 N）和可接受的结温差（14 K和19 K）。实验测量结果与仿真高度吻合。对于2700A D型器件，芯片平均温度为101.8°C，最高与最低温差为18.4°C；对于6000A器件，平均温度为106.3°C，温差为28.8°C。与采用相同芯片、仅封装形式不同的P型PP IGBT相比，D型的温度均匀性显著更优（温差减小了17.1°C）。与同等级的S型PP IGBT相比，D型在温度分布接近的同时，实现了更小的器件尺寸（118 mm vs 235 mm）和更低的所需夹紧力（20/45 kN vs 110 kN），从而实现了更高的功率密度。

本研究的结论是，通过改进芯片布局和导流片结构，成功提出并验证了一种具有低寄生电感、良好的温度与压力分布、以及更低压力要求的新型压接式IGBT封装形式——D型PP IGBT。具体而言：1）通过PCB调节栅极电阻，可实现各芯片几乎同步的开关动态。2）该结构允许在较小夹紧力下获得较低的热阻，这极大地降低了应用中夹紧夹具的成本和对芯片的机械应力。3）与相同芯片的P型结构相比，它具有更均匀的温度分布；与同等级的S型结构相比，它具有更小的尺寸和更低的所需夹紧力，从而实现了更高的功率密度。该研究为未来超大容量、高可靠性压接式IGBT的设计提供了新的思路。

本研究的亮点突出。在创新性方面，提出的D型结构是一种融合P型与S型优点的新型拓扑，通过引入子模块化环氧树脂框架和可弯曲导流片的组合，巧妙地解决了热机械耦合与高夹紧力这对核心矛盾。在研究方法的深度与系统性上，工作从底层芯片接触机理测试，到器件级多物理场耦合仿真，再到基于创新测量技术的完整样机实验验证，形成了完整、严谨的技术论证链条。特别是将研究视野从原型器件（2700A）扩展到未来可能的超大容量器件（6000A， 10，000A），并通过仿真预测了其性能，展现了该技术的可扩展性和巨大潜力。此外，“顺序Vce(t)方法”这一精密测量技术的应用，为准确获取多芯片并联压接器件内部的温度分布提供了关键实验数据支撑，增强了研究结论的可信度。这项研究不仅具有重要的科学价值，为功率半导体封装领域的多物理场耦合设计与优化提供了新的案例和理论参考，更具有巨大的应用价值，其提出的解决方案直接面向国家电网等机构对下一代柔性直流输电装备提出的超高压、大电流、高可靠性、长寿命的迫切需求，对推动我国乃至全球高压大功率电力电子装备的技术进步具有积极意义。文中也指出，未来将对D型PP IGBT的短路失效模式（SCFM）和功率循环能力进行进一步的研究与实验验证。