关于《温度对压接式绝缘栅双极型晶体管内部压力分布影响的研究》的学术报告
本研究由中国华北电力大学“新能源电力系统国家重点实验室”及全球能源互联网研究院（国家电网公司）的研究人员共同完成，主要作者包括邓二平（Erping Deng）、赵志斌（Zhibin Zhao）、林中康（Zhongkang Lin）、韩荣刚（Ronggang Han）和黄永章（Yongzhang Huang）。该研究以论文形式发表于国际电力电子领域权威期刊《IEEE Transactions on Power Electronics》第33卷第7期，出版时间为2018年7月。
该研究属于电力电子器件封装与可靠性领域，聚焦于大功率压接式绝缘栅双极型晶体管（Press Pack IGBT, PP IGBT）这一关键器件。PP IGBT因其高可靠性、双面散热、高功率密度及易于串联等优势，被广泛应用于电力机车、高压直流输电等高压高功率密度场合。与传统模块式IGBT不同，PP IGBT采用机械压力来维持内部多层叠层结构（包括硅芯片、银片、钼板、铜电极等）之间的电气与热接触。其内部压力分布的均匀性至关重要，直接影响着电气接触电阻、热接触电阻、热循环能力以及短路电流承受能力。过大的压力会导致芯片机械损伤，而过小的压力则会增大热接触电阻，导致芯片过热损坏。然而，在实际工作中，由芯片功耗产生的高温会引发热应力，从而改变初始装配时的压力分布，这一问题此前的研究并未得到充分探讨。以往的研究模型多为单向耦合（One-Way Coupled），未能准确反映电场、热场和机械场之间复杂的相互作用，尤其在高温下芯片功耗受结温影响这一关键耦合关系上存在局限。因此，本研究的目的是建立一个能够精确描述PP IGBT在加热工作状态下内部电流、温度和压力分布的直接全耦合多物理场模型，以深入探究温度对压力分布的影响机理，并为器件优化设计提供指导。研究目标是揭示加热相（Heating Phase）与夹紧相（Clamping Phase）压力分布的本质差异，并通过仿真与实验验证模型的有效性，最终提出优化方案以改善加热相下的压力分布均匀性。
本研究的工作流程是一个从模型构建、参数获取、仿真分析到实验验证、最终优化的完整闭环，包含以下几个主要步骤：
第一步骤：建立全耦合多物理场有限元模型。 这是本研究的核心。研究团队构建了一个直接耦合了电场、热场和机械场的三维多物理场有限元模型。其创新之处在于它是一个“协同耦合”（Co-coupled）模型，不同于以往的单向耦合。模型中，三个物理场通过关键的耦合变量实时相互影响。具体来说：1. 机械场与电/热场的耦合：通过电接触电阻和热接触电阻实现，这两个电阻值均随施加在芯片组件上的局部压力（即机械场输出）变化。2. 热场与电场的耦合：芯片的功率损耗（电场输出）是热场的主要热源，而芯片的结温（热场输出）又会反过来影响芯片的电气特性（如饱和压降、开关能量），进而改变功率损耗的计算。3. 电场与机械场的耦合：如前所述，电流分布受接触电阻影响，而接触电阻又取决于压力。这个协同耦合模型通过商业有限元软件实现，确保了所有物理变量在仿真过程中在线更新，从而能更准确地模拟实际工作状态。
第二步骤：确定关键耦合参数——电接触电阻与热接触电阻。 为了使上述模型能够精确运行，必须获得接触电阻与压力之间的定量关系。为此，研究团队设计并制作了单个IGBT芯片子模块和单个快恢复二极管（FRD）芯片子模块作为研究样本。对于热接触电阻，他们结合了半经验模型和实验测量。首先利用Bahrami等人提出的理论模型进行计算，然后搭建专门的热阻测试平台（包含加热器、冷却板、温度传感器等）对单个子模块进行实测，将实测结果用于修正理论模型参数，从而得到了针对本研究所用芯片的、不同压力下的集电极侧和发射极侧热接触电阻的精确拟合公式。对于电接触电阻，由于直接在微型多层结构内部测量非常困难，他们通过测量整个子模块在特定电流（如IGBT 50A， FRD 100A）下的通态压降随压力的变化来间接表征。使用安捷伦B1505A功率器件分析仪进行测量，同样获得了压降与压力的拟合公式，进而推导出电流与压力的关系，作为耦合变量输入模型。这一步的实验工作为后续仿真的准确性奠定了基础。
第三步骤：进行有限元仿真，分析夹紧相与加热相的分布特性。 在模型和参数准备就绪后，研究者对一个概念性PP IGBT模型进行了仿真分析。该模型由30个IGBT芯片和14个反并联的FRD芯片组成。仿真分为两个阶段：夹紧相（仅施加额定夹紧力，70kN）和加热相（在夹紧的基础上，施加工作电流，芯片产生功耗，达到稳态）。在机械模型中，边界条件设定为在集电极侧散热器表面施加一个与额定夹紧力等效的规定位移，在发射极侧散热器表面设置固定支撑，以模拟实际安装条件。内部各层间的接触设置为摩擦接触。仿真输出了两个阶段下芯片接触面的压力分布、芯片的结温分布以及由于耦合导致的集电极电流分布。
第四步骤：实验验证机械模型。 由于PP IGBT内部空间狭小，难以在加热状态下直接测量压力或温度分布，研究团队选择在夹紧相下进行压力分布实验，以验证其机械模型和边界条件的正确性。他们搭建了一个压力分布测试平台，核心是使用富士压力测量膜（Fuji Prescale Film）。该薄膜受压后会产生颜色深浅不一的印记，对应不同的压力等级。为了获得可靠的实验结果，他们采取了一系列严格措施：采用球面系统确保外力施加均匀；使用高精度高度测试仪（Mitutoyo 518-314a-21）筛选所有子模块组件，控制总高度差小于10微米；并规定了详细的夹紧力加载时序曲线，以避免压力膜测量峰值压力带来的误差。将实验得到的压力分布图像与夹紧相的仿真结果进行对比，验证了两者的一致性，从而确认了机械模型的准确性。
第五步骤：基于仿真结果提出优化方案。 在确认模型可靠后，研究者根据加热相仿真所揭示的问题根源，提出了结构优化思路。他们发现加热相压力分布极度不均（压力集中在中心区域，边缘芯片压力极低甚至失去接触）的主要原因是集电极铜电极在热应力下产生的翘曲，以及发射极侧的铜基座（Pedestal）过硬，无法补偿热膨胀位移。因此，优化目标聚焦于集电极和基座。通过参数化仿真，他们探索了改变这两个部件材料属性的影响：将集电极材料由铜（较软）替换为钼（更硬，弹性模量更高）以减少翘曲；将基座材料的弹性模量降低（模拟使用更软的材料，如银或形状记忆合金）以增强位移补偿能力。对比了优化前后的压力、电流、功耗和结温分布。
本研究的主要结果如下：
在夹紧相，压力分布相对均匀，但由于集电极在夹紧力下发生轻微弯曲，外围芯片的压力略低于中心芯片。在单个芯片上，压力主要集中在有源区与终端区的交界角上，这解释了过压时芯片在该区域破裂的现象。实验测得的压力分布图像与仿真结果高度吻合，有力证实了机械模型的有效性。
在加热相，结果发生了显著变化：1. 压力分布极不均匀：压力高度集中在封装体中心区域的芯片上，而位于边缘的芯片（特别是FRD芯片）压力极低，甚至出现接触失效。例如，选定的#2号FRD芯片平均压力仅为84.8 N，而中心的#13号IGBT芯片压力高达3072.5 N，差异巨大。与夹紧相相比，边缘芯片的压力偏差高达-94.9%。2. 结温分布极不均匀：由于热接触电阻对压力极为敏感（压力越小，热阻越大），压力极低的边缘芯片结温显著升高。#2号FRD芯片的结温高达101.65°C，比中心芯片（约82.7°C）高出近19°C。3. 耦合效应分析：研究通过逻辑图（图19）清晰地阐述了这一恶性循环：某芯片压力下降 → 其电接触电阻和热接触电阻均增大，但热阻增幅远大于电阻增幅 → 该芯片电流略有下降（功耗略降） → 但由于热阻大幅增加，其结温最终仍急剧上升。4. 形变分析：仿真形变图直观显示，在加热相，集电极因热膨胀产生的翘曲比夹紧相严重得多，这是导致压力分布恶化的直接物理原因。
优化方案的结果显示：优化集电极（用钼）和优化基座（用更软材料）都能有效改善加热相的压力分布均匀性。尤其是优化基座方案，在提升边缘芯片压力的同时，对夹紧相的压力分布影响很小，且能更有效地降低边缘芯片的结温（如#2号芯片结温从101.65°C降至88.02°C），表现更为全面。不过，报告也指出基座材料的选择需要在电气特性、热特性和机械补偿能力之间进行权衡。
本研究得出以下结论：1. 由芯片功耗产生的高温对PP IGBT在加热工作阶段的内部压力分布有重大影响，导致其与夹紧阶段截然不同，呈现中心高压、边缘低压甚至失接触的极端不均匀状态。2. 这种不均匀的压力分布通过热接触电阻进一步导致了严重的结温分布不均，边缘芯片过热风险显著增加。3. 所提出的直接协同耦合多物理场模型得到了实验验证，能够准确预测PP IGBT内部的电流、温度和压力分布。4. 通过对集电极和基座进行结构优化（主要是调整材料机械属性），可以有效改善加热相的压力分布均匀性，其中优化基座是更优的选择。
本研究的科学价值在于首次建立了能够精确反映温度与压力分布复杂相互作用的全耦合多物理场模型，揭示了PP IGBT在工作状态下内部应力与热分布的内在机制与恶性循环，深化了对该类器件失效物理的理解。其应用价值则直接体现在为高可靠性PP IGBT的封装设计提供了关键的仿真工具、明确的设计指导（关注边缘芯片、优化电极和基座）以及具体的优化方向，对于提升大功率电力电子装备的可靠性和使用寿命具有重要意义。
本研究的亮点突出体现在：1. 方法论创新：开发了新颖的“直接协同耦合”多物理场建模方法，克服了传统单向耦合模型的局限性，更真实地模拟了器件多场交互的物理本质。2. 关键参数获取：通过精心设计的单芯片子模块实验，精确量化了电、热接触电阻与压力的函数关系，为高精度仿真提供了可靠输入。3. 深刻的机理解释：不仅给出了分布结果，更通过形变分析和逻辑链条，清晰地阐明了“温度→热膨胀→电极翘曲→压力重分布→热阻变化→结温再分布”这一完整的耦合作用路径。4. 从问题诊断到解决方案的闭环研究：工作流程完整，从发现问题（仿真揭示不均匀性）、验证问题（实验验证模型）、分析问题根源（电极翘曲），到最后提出并评估优化方案，形成了一个严谨的科研闭环。这些亮点共同构成了本研究对领域的重要贡献。