本文是发表在 IEEE Transactions on Electron Devices 期刊2019年3月第66卷第3期上的一篇原创性研究论文。该研究的主要作者为 Hui Li, Ran Yao, Wei Lai, Hai Ren, 和 Jinyuan Li。他们分别来自重庆大学（State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, Chongqing University）和全球能源互联网研究院有限公司（Global Energy Interconnection Research Institute Co., Ltd., Beijing）。研究旨在建模与分析压接式绝缘栅双极晶体管（Press-pack Insulated-Gate Bipolar Transistor， PP-IGBT）器件的整体疲劳失效演化过程。
本研究的学术背景聚焦于电力电子器件可靠性领域，特别是高压大容量柔性直流输电（MMC-HVDC）系统中的核心功率器件——PP-IGBT。PP-IGBT因其双面冷却、短路失效模式和高功率密度等优势，成为该系统的首选。然而，其封装结构（靠压力压接密封）使得内部失效过程和复杂的多物理场耦合难以直接观测。内部材料层的多样性和复杂的物理化学反应（如铝-硅扩散）也给失效机理分析带来挑战。先前的研究虽然分别指出了微动磨损（fretting wear）和铝硅扩散导致短路两种失效模式，但缺乏一个将两者联系起来、完整描述从微动磨损引发到最终短路失效全过程的分析模型，也未能全面揭示这一演化过程中的关键参数变化。因此，本研究的目标是建立一个能模拟和分析PP-IGBT器件从微动磨损失效到短路失效的完整演化过程的模型，并探究失效过程中的特征参数变化趋势，从而为优化器件设计和实现状态监测提供理论依据和方法。
本研究的工作流程主要包括四个阶段：1) 建立PP-IGBT器件的多物理场耦合模型并进行微动磨损分析；2) 基于铝硅扩散机理，建立带有渗透孔的短路失效演化模型并分析参数变化；3) 通过稳态、功率循环和短路实验验证模型和失效演化理论。研究对象是一个单芯片的3300V/50A PP-IGBT器件。在仿真部分，研究未使用专门发明的实验设备，而是采用业界成熟的COMSOL Multiphysics软件建立了PP-IGBT的有限元模型（Finite-Element Method model, FEM model）。该模型的新颖之处在于其高度集成性，它通过多物理场耦合（电-热-力）模拟了器件在稳态和瞬态（功率循环）下的行为。建模中详细考虑了各层材料（铜、钼、银片、铝、硅）的几何与物理参数（如热膨胀系数、杨氏模量等）、热接触电阻与电接触电阻随压力的变化关系、以及水冷散热等边界条件。模型中省略了对功率损耗和温度影响很小的栅极引脚和塑料框架，以优化计算效率。模型的关键输入参数包括1200N的夹紧力、50A的工作电流、25°C的室温以及开关频率等，如文内表格所示。
在微动磨损失效分析阶段，研究首先通过瞬态仿真获得器件在功率循环下的结温波动、压力分布、位移等信息。仿真结果显示，在稳定状态下，最大压力、最高结温和最大电压降均位于IGBT芯片上，且芯片的水平位移最小而垂直位移较高。通过分析接触压力和横向应力，发现发射极侧（emitter side）的接触压力是集电极侧（collector side）的约3.7倍，但横向应力较小。基于固体材料的微动磨损疲劳机制和公式 (N_f = (\sigma_f / \sigma_c)^{1/\alpha})，研究计算了各材料层的微动磨损寿命。结果显示，IGBT芯片（其表面为铝层）的寿命最短，是最薄弱环节。进一步的分析给出了芯片表面微动磨损寿命的分布图，指出在发射极表面靠近边缘的区域，存在一个形状与发射极钼板（EMP）几何形状相似的区域，其寿命最低，是微动磨损最易发生、裂纹最早出现的“最弱区域”。研究还分析了微动磨损导致各层表面粗糙度增加对器件性能的影响：IGBT芯片的粗糙度增加对结温和压力的影响最为显著，可使结温升高近60°C，最大压力从250MPa增至480MPa。此外，研究分析了极端工况（过电流、过高温、夹紧力变化）对最高结温的影响，发现电流超过140A时，结温将高于300°C，为后续短路分析提供了条件。
在短路失效建模与分析阶段，研究引入了创新的“渗透孔（osmotic hole）”概念来模拟短路失效过程。其物理机制基于铝硅扩散反应：当温度超过约300°C时，IGBT芯片表面的铝层和硅衬底会发生扩散反应，形成铝硅合金。微动磨损在最弱区域产生的裂纹和高温为铝硅扩散创造了条件。随着扩散进行，合金区域（即渗透孔）的电导率逐渐从硅的电导率向铝的电导率靠近。研究通过在有限元模型中最弱区域设置一个电导率可变的渗透孔，模拟了这一演化过程。仿真中，以电导率比值(n)（渗透孔电导率与硅电导率之比）从0到(10^6)的变化来代表短路过程的进行。分析了此过程中器件的特征参数（电阻、电压、热阻、温度）变化趋势。结果显示，参数变化呈现三个阶段：初始缓慢变化、中期快速下降、后期达到稳定最小值。其中，电压下降约10V，电阻从0.08Ω降至0Ω，结温下降近300°C，而热阻变化极小（仅下降0.012 K/W）。这表明，电压、电阻和温度的变化可作为监测PP-IGBT短路失效的有效特征量。同时，渗透孔内的温度在短路中期可急剧升高至1600°C，进一步加速了铝硅扩散反应，形成恶性循环。
在验证阶段，研究通过三个实验对仿真模型和理论分析进行了验证。首先，稳态红外测温实验测量了器件在稳定工作时的温度分布，结果表明仿真温度与实测温度分布趋势一致，各点相对误差在10%以内，验证了有限元模型的有效性。其次，功率循环实验采用70A电流加速老化，监测器件电压降的变化。实验发现，在运行约6680个循环后，电压降在短时间内从5.2V急剧增加到10V。拆解器件后，通过显微镜和表面粗糙度仪观察，发现IGBT芯片发射极表面（尤其是活性区角落）变得粗糙，规则条纹变得杂乱无序，最大粗糙度从1.793μm显著增加到17.715μm，这与仿真预测的微动磨损失效发生在芯片表面且会导致粗糙度增加的结果相符。最后，短路实验对器件施加高电流使其最终短路失效。波形分析证实了过电流是短路诱因之一。拆解失效器件后，在芯片发射极表面栅极区域附近发现一个黑点（失效点），与模型中渗透孔设置的位置相符。通过扫描电子显微镜和元素分析，发现在失效点区域，铝含量降至约10%，硅含量升至约90%，而在附近正常区域，铝含量约为70%，硅含量约为30%。这直接证实了短路失效点是由铝硅元素扩散形成合金（渗透孔）所导致，验证了所提出的短路失效物理机制。
本研究的结论是，成功建立并验证了一个能够描述PP-IGBT器件整体疲劳失效演化的模型，揭示了其从微动磨损失效开始，最终演变为短路失效的完整过程。研究表明，IGBT芯片是器件中最薄弱的环节，其表面的微动磨损是失效的起点。微动磨损导致的粗糙度增加和系统过电流是引发后续铝硅扩散、形成渗透孔并最终导致短路失效的主要因素。短路失效过程伴随着电压、电阻和温度的显著下降，这些参数可作为有效的状态监测指标。而热阻的变化则不明显。
本研究的科学价值和应用价值在于：1) 理论创新：首次通过一个集成的多物理场模型，将PP-IGBT的两种主要失效模式（微动磨损和短路）在机理和过程上联系起来，提供了一个完整的失效演化分析框架。2) 方法创新：提出了基于“铝硅扩散”机制和“渗透孔”概念的短路失效仿真方法，为分析此类复杂物理化学过程导致的失效提供了新思路。3) 工程应用价值：明确了失效的薄弱位置、关键诱因（粗糙度增加、过电流）和演化过程中的特征参数变化，为PP-IGBT器件的优化设计（如强化最弱区域、改进材料或结构）和运行中的状态监测与健康管理（PHM）提供了直接的理论依据和具体的监测参量（电压、电阻、温度），有助于提高MMC-HVDC系统的整体可靠性。
本研究的亮点包括：重要发现方面，明确了微动磨损在芯片发射极侧特定区域最先发生，并定量给出了其寿命分布；证实了铝硅扩散形成的渗透孔是短路失效的直接物理机制，并通过元素分析提供了确凿证据。方法新颖性方面，构建的电-热-力多物理场耦合模型与基于渗透孔电导率演化的短路模型相结合，完整地模拟了失效全过程，是该研究的核心创新点。研究对象的特殊性方面，聚焦于MMC-HVDC这一重要应用场景中的关键功率器件PP-IGBT，其可靠性问题具有重要的现实意义。
其他有价值的内容还包括研究中对接触电阻和热阻随压力变化的公式化描述、对极端工况影响的系统分析、以及详实的实验验证流程（稳态、老化、破坏性），这些都增强了研究的严谨性和说服力，为后续研究者提供了可借鉴的完整方法论。