本报告旨在介绍一篇由S. Gunturi、J. Assal、D. Schneider、S. Eicher共同撰写，于2003年4月在英国剑桥举办的国际功率半导体器件与集成电路研讨会（ISPSD）上发表的研究论文。该研究来自ABB瑞士有限公司企业研究中心与半导体事业部，题为《用于IGBT压接式模块的创新金属系统》。论文报告了一项关于高压压接式绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块关键可靠性问题的原创性实验研究，并提出了创新的材料解决方案。

研究背景与目标 研究的核心科学领域是功率半导体器件的封装与可靠性，特别是针对高压直流输电（HVDC）等关键应用场景。在这类应用中，IGBT压接式模块（Press Pack IGBT）因其非气密性、模块化设计和高功率密度等优点而被广泛采用。然而，其设计面临两个相互冲突的关键性能要求：短路失效模式（SCFM, Short Circuit Failure Mode）能力和间歇运行寿命（IOL, Intermittent Operating Life）能力。在HVDC系统中，模块串联工作，单个模块失效时，系统要求该模块能稳定地进入短路状态（SCFM），以便冗余模块继续承载电压，避免系统停机。这意味着模块必须在芯片失效后形成一条低阻、稳定的合金化短路路径。与此同时，模块在正常工作中会经历频繁的功率循环（即IOL，主要由温度变化引起），这要求模块内部的材料接口，特别是芯片与接触片之间的界面，能够承受由热膨胀系数（CTE）不匹配引起的循环热机械应力，以避免早期电气失效。研究的核心矛盾在于：为优化SCFM性能（形成稳定低阻合金）而选择的金属（如铝、银）具有远高于硅芯片的CTE，这会对IOL性能（功率循环寿命）产生不利影响。反之，选择CTE与硅接近的金属（如钼）有利于IOL，却可能损害SCFM的长期稳定性。因此，本研究的目标是深入理解这两种失效模式下的物理与化学机制，并在此基础上开发一种创新的金属系统设计方案，以优化这种权衡，从而提升IGBT压接式模块的整体可靠性。

详细工作流程 本研究的工作流程清晰分为针对两个核心问题（SCFM和IOL）的实验设计、执行与分析。 1. 短路失效模式（SCFM）研究流程： * 研究对象与准备：研究使用专为HVDC应用设计的IGBT压接式模块。为了加速研究过程，研究人员首先通过施加过电压的方式人为“破坏”一个模块中的单个硅芯片，从而在受控条件下触发短路失效模式，形成预设的合金化区域（例如铝-硅合金）。 * 加速老化测试：随后，这些处于短路状态的模块被置于高电流（1000-1500 A）负载循环条件下进行测试，以加速接触系统的退化过程。研究人员持续监测模块两端的电压降随时间的变化情况。此外，还构建了特殊设计的模块，用于监测不同材料界面（如合金区与基板界面）的电压降。 * 中断分析与表征：测试在不同退化阶段被中断，取出样品进行破坏性分析。样品被切割、研磨和抛光，以制备出用于冶金分析的横截面，特别是展示合金化区域的形貌（如图3所示）。 * 分析技术与方法：采用了多种先进的材料表征技术来揭示失效机理：(a) 光学显微镜用于初步观察微观结构；(b) 扫描声学显微镜用于探测内部缺陷或分层；© 扫描电子显微镜（SEM）结合X射线能谱分析（EDX）用于高分辨率形貌观察和精确的化学成分分析，这是确定合金相组成和腐蚀产物的关键；(d) 显微硬度测试用于评估材料局部机械性能的变化，辅助判断相变（如脆性金属间化合物的形成）。

2. 间歇运行寿命（IOL）研究流程： * 测试设置：为了模拟实际工况下的功率循环，研究构建了由模块和散热器交替堆叠组成的测试栈（如图1所示模块堆叠形式）。 * 测试条件：向测试栈施加直流电流（1500-1700 A），并以30秒为周期进行通断切换。在测试开始前，预先测量了完整模块以及芯片发射极金属化层与接触片之间界面的接触电阻，以确保在通断周期内芯片结温变化（ΔT）得到控制（典型值为40°C和80°C）。 * 监测与维护：测试过程中定期测量每个模块的集电极-发射极电压。失效的模块被旁路。每进行10,000次循环，测试暂停，测试栈被拆解，每个器件都进行电气测试（包括门极-发射极和集电极-发射极漏电流、门极-发射极阈值电压）。失效模块被更换，测试栈重新组装后继续测试。 * 失效分析：对于失效的模块，同样采用光学显微镜和SEM/EDX对芯片发射极表面与接触片的界面进行分析，以确定失效的性质和根本原因（如图7、8、9所示）。

本研究未使用全新发明的实验设备或算法，但其价值在于系统性地将标准化的加速寿命测试（高电流负载循环、功率循环）与多层次、多技术的材料失效物理分析（冶金学、显微分析）紧密结合，构建了一个完整的“测试-中断-分析”研究范式，用以揭示长期可靠性背后的微观机理。

主要研究结果 1. 短路失效模式（SCFM）下的失效机理： 研究发现，长期在SCFM下运行后，模块最终会意外地“开路”（即短路状态消失），这主要由两种机制导致： * 钼基板的液态金属腐蚀与金属间化合物形成：在SCFM早期，铝（或银）接触片与失效的硅芯片形成铝-硅（Al-Si）合金。SEM/EDX分析显示，该合金成分围绕共晶成分（12.7 wt.% Si）变化。研究的关键发现是，熔融的铝会沿着钼（Mo）基板的晶界渗透，导致晶界腐蚀（如图4所示）。随着时间推移，被腐蚀的钼晶粒进入Al-Si合金熔体中，硅和铝原子扩散到钼颗粒中，形成多种导电性很差的金属间化合物，例如Mo(Si,Al)₂、Al₄Mo等（如图5所示）。显微硬度测试证实，在接近失效时，合金区大部分由这些硬而脆的金属间化合物组成。这些化合物的高电阻率，连同基板开裂，共同增大了电流路径的电阻，导致欧姆发热增加。发热加剧又反过来加速基板退化和合金氧化，最终导致开路失效。 * 硅凝胶劣化：第二个失效机制与模块生产过程中的硅凝胶灌封有关。研究发现，硅凝胶会渗入干燥的金属接触界面之间（如图6所示）。在SCFM产生的高温下（>180°C），渗入的硅凝胶发生氧化和脆化，形成坚硬的二氧化硅（SiO₂）层。这种硬质绝缘层的形成，阻止了在初始接触点因老化/氧化而劣化后建立新的有效电接触点，导致接触电阻持续升高，功率耗散增大，最终因接触引脚蠕变和氧化而失效。

2. 间歇运行寿命（IOL）下的材料选择权衡与优化方案： * 矛盾揭示：实验证实了IOL与SCFM性能之间的根本冲突。铝因其能与硅形成稳定的低熔点共晶合金而有利于SCFM长期寿命，但其高热膨胀系数（23 ppm/K）与硅（3 ppm/K）严重失配，在功率循环中引起界面间巨大的相对横向位移（超过10 µm），导致机械疲劳和芯片表面损伤，从而损害IOL寿命（如图7所示使用铝接触片的失效案例）。 * 针对HVDC的优化方案：对于必须兼具SCFM和IOL的HVDC应用，研究提出采用铝作为接触片基体材料（保障SCFM），但表面镀钯（Pd）。钯镀层提供了高导电性、低摩擦系数、抗氧化的界面，并能与芯片顶部的银（Ag）金属化层在一定程度上相容。使用这种Al/Pd组合，模块在ΔT=40°C下的IOL寿命（10%失效概率）超过10万次循环。失效模式主要是银和钯之间的互扩散导致芯片表面银层“粘附”到钯镀层上，从而损伤IGBT发射极表面（如图8所示）。 * 针对牵引等应用的优化方案：对于SCFM长期稳定性要求不高但IOL要求极高的应用（如牵引、工业驱动），研究提出了根本性的不同方案：采用钼（Mo）作为接触片基体材料。钼的CTE（5 ppm/K）与硅接近，能极大减轻热机械应力。为保护钼不被氧化，表面镀铑（Rh）。实验结果表明，这种Mo/Rh组合带来了卓越的IOL性能。如图9所示，经过5000次ΔT=80°C的功率循环后，芯片发射极表面几乎完好无损。其IOL寿命接近100万次循环（ΔT=40°C）。但需要指出，这种结构虽然也能安全失效进入短路状态，但其SCFM的持久性（短路状态的稳定维持时间）远不及铝或银接触片，会降低约一个数量级。

结论与价值 本研究得出结论，提出了一种根据应用需求优化设计的压接式IGBT模块构造。其科学价值在于首次详细阐明了高压IGBT压接模块在极端短路和循环应力下的两种关键失效物理机制：一是基于液态铝腐蚀钼基板并形成高电阻金属间化合物的渐进式退化；二是硅凝胶在高温界面劣化成绝缘氧化硅导致的接触失效。这为可靠性建模和寿命预测提供了坚实的物理基础。其应用价值则体现在提出并验证了两种差异化的创新金属系统解决方案：对于需要兼顾长期短路稳定性的HVDC应用，推荐使用镀钯的铝接触片（Al/Pd）；对于追求极限功率循环寿命的牵引等应用，推荐使用镀铑的钼接触片（Mo/Rh）。这种基于失效机理理解的“按需定制”设计理念，显著提升了功率半导体模块在特定应用场景下的可靠性边界。

研究亮点 本研究的亮点突出体现在以下几个方面：1. 问题定义精准：清晰抓住了高可靠性功率模块设计中IOL与SCFM这一对核心矛盾。2. 机理研究深入：通过精细的“加速测试-中断分析”方法，综合运用多种材料表征手段，揭示了从宏观性能退化到微观结构演变（晶界腐蚀、金属间化合物形成、凝胶化学变化）的完整失效链条，研究深度超越了一般性的性能测试报告。3. 解决方案创新且实用：提出的两种金属系统方案（Al/Pd 和 Mo/Rh）并非简单妥协，而是基于对失效机理的深刻理解，针对不同应用场景进行的针对性优化，具有很高的工程实用价值。4. 研究范式完整：将电力电子模块的可靠性评估与材料科学的失效分析紧密结合，为同类研究提供了一个优秀的范例。