本文档属于类型a：单篇原创性研究报告。以下是针对该研究的学术报告内容：

一、研究团队与发表信息
本研究由西安交通大学电气工程学院高电压与电力设备国家重点实验室团队完成，第一作者为Cao Zhan（IEEE学生会员），通讯作者为Lingyu Zhu（IEEE会员）。合作者包括Jiangang Dai、Yaxin Zhang等7名研究人员。研究成果发表于2022年10月的《IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics》第10卷第5期。

二、学术背景与研究目标
1. 科学领域：研究聚焦电力电子器件可靠性，具体针对压接式绝缘栅双极晶体管（Press-Pack IGBTs, PPIs）的磨损机制。
2. 研究动机：随着模块化多电平换流器高压直流输电（MMC-HVDC）系统对高功率PPIs需求的增长，其长期运行中的热机械应力导致的封装退化问题亟待解决。现有研究对PPIs磨损机制的认识不足，尤其缺乏对新型失效模式的系统性分析。
3. 研究目标：通过加速老化实验和多物理场耦合建模，揭示PPIs的三种磨损失效模式及其机理，为可靠性提升和状态监测技术提供理论基础。

三、研究方法与流程
1. 加速老化实验设计
- 实验平台：基于IEC 60749-34和JESD22-A122A标准搭建功率循环测试平台，采用恒功率法控制加热电流（350A）、通断时间（18s/18s）。
- 样本处理：测试6个Westcode公司T0360NB25A型PPI模块，初始夹紧力8kN，通过水冷散热器实现双面冷却。
- 监测参数：记录集电极-发射极电压（每1000周期）、壳体温度（热电偶测量），并通过瞬态热阻抗反演结温（26–100°C波动）。

1. 多物理场耦合建模

   • 模型构建：建立包含热-电-机械全耦合的有限元模型，创新性引入表面粗糙度参数（σasp: 0.1–1.2μm）模拟老化状态。
     
   • 关键方程：
     
     • 热阻模型：联合收缩导热（hc）、间隙导热（hg）和辐射导热（hr），见公式(4)-(5)。
       
     • 接触电阻：通过微凸体斜率（masp）和压力（p）计算，见公式(6)。
       
   • 边界条件：考虑芯片等效电导率随结温变化（图8实测数据），采用增强拉格朗日法求解接触压力分布。
     

2. 失效模式分析

   • 显微观测：使用金相显微镜（AXIO Scope A1）观察芯片发射极表面形貌，激光共聚焦显微镜（LSCM）测量粗糙度，扫描电镜（SEM）分析氧化区域元素组成。
     

四、主要研究结果
1. 磨损模式发现
- 微动磨损划痕：芯片接触区边缘出现划痕（图11），粗糙度从新片的0.063–0.101μm增至老化后的0.377–0.427μm（图12）。
- 附加金属区裂纹：裂纹集中于附加金属区（Additional Metallization Area）拐角（图15），仿真显示该区域von-Mises应力呈”M”型分布（图16c），边缘应力比中心高47%。
- 附加金属区氧化：首次发现烧结银层发黑现象（图17），能谱分析证实存在氧元素，而新片仅含银和碳。

1. 机理分析
   
   • 温度与电性能影响：表面粗糙度每增加1μm，结温和热阻线性上升约15%，但饱和电压仅变化2.3%（图13-14）。
     
   • 氧化成因：微动磨损产生高活性银磨屑，在高温和局部高压（边缘压力比中心高32%）下氧化并附着（图18）。
     

五、研究结论与价值
1. 科学价值：
- 首次系统揭示PPIs的三重磨损模式，提出氧化为新型失效机制。
- 建立全耦合模型，阐明表面粗糙度对热-电-机械参数的定量影响规律。
2. 应用价值：
- 为MMC-HVDC系统中PPIs的寿命预测提供理论依据。
- 建议以饱和电压（灵敏度1%/40mV）和瞬态热阻作为状态监测指标。

六、研究亮点
1. 方法创新：开发考虑老化状态的多物理场耦合模型，突破传统模型未耦合表面粗糙度的局限。
2. 发现创新：首次报道附加金属区氧化现象，并证实其与微动磨损的因果关系。
3. 工程指导性：明确指出裂纹导致栅极阈值电压下降是饱和电压突增（图2）的主因，为故障预警提供关键参数。

七、其他有价值内容
研究团队建议未来工作聚焦小温差循环（更贴近实际运行条件）及栅极电压信号监测，以进一步完善PPIs的健康评估体系。