本研究的主要作者来自中国电子科技大学和重庆大学，包括任宽刘 (Renkuan Liu)、李辉 (Hui Li)、姚冉 (Ran Yao) 等，并由中国国家电网公司智能电网研究院的陈中原 (Zhongyuan Chen) 作为合作作者。研究成果以题为《Investigation on Formation and Evolution Behavior of Short-Circuit Path in Press-Pack IGBT Modules》的论文形式，于2024年12月发表在IEEE期刊《IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics》的第12卷第6期上。

本研究属于电力电子器件可靠性领域，具体聚焦于压接型绝缘栅双极晶体管 (Press-Pack IGBT, PP-IGBT) 模块的失效机理。压接型IGBT相比传统的焊线型模块，具有双面散热、热阻低，以及失效后进入短路状态的独特优势，这使其在高功率密度应用中备受青睐。理论上，串联使用的多个模块中若有一个失效短路，其余模块仍可承受电压，失效模块也能继续导通负载电流，从而提高了系统的冗余性和可靠性。然而，由于对PP-IGBT失效后内部短路路径的形成机制及其随时间的演化行为缺乏深入理解，目前许多采用PP-IGBT的电力设备仍像使用传统焊线型模块的设备一样配备旁路开关，未能充分发挥其“失效后短路”的优势。因此，精确揭示短路路径的形成与演化行为，是最大化利用PP-IGBT技术潜力的关键，也是本研究开展的核心动因。研究的背景知识包括：以往的研究多基于测试来描述短路路径的特征，例如通过等效短路冲击测试发现失效后短路路径均位于芯片有源区边缘；对于失效过程，现有研究大多仅监测到热失控（集电极电流急剧上升）为止，而热失控后到稳定短路路径形成这一关键阶段，由于电流急剧增大超出常规传感器量程，成为了一个“视觉盲区”。同样，在短路路径演化方面，现有研究主要通过测试观察合金横截面或对预设失效子模块进行稳定性测试来探究演化模式，但缺乏从理论上模拟和解释这种演化行为的模型。本研究旨在填补这些空白，其目标是：通过结合实验测试与有限元仿真，系统地探究PP-IGBT中短路路径从形成到在子模块内部延伸、再到在多芯片模块中扩散的全过程行为，并建立相应的物理模型进行模拟和解释。

本研究的工作流程包含四个主要部分，环环相扣，逐步深入。第一部分聚焦于短路路径的形成机制。研究首先搭建了大电流冲击测试平台，以获取从热失控到短路路径形成这一“有限视觉区”内的关键电学参数。测试对象为三个具有相似动静态特性的3.3 kV/50 A IGBT子模块。测试方法采用常用的长时间导通门极信号法，利用高压电容对器件进行放电冲击。本研究的创新点在于使用了量程高达12 kA的电流探头，从而成功捕获了热失控后集电极电流的完整变化曲线，突破了以往研究的测量瓶颈。测试同步记录了集电极-发射极电压和集电极电流。通过对失效后器件进行扫描电子显微镜和元素分析，发现短路路径呈现孔洞形态，均位于有源区边缘，且主要成分为铝和硅，形成了导电的Al-Si合金。基于测量的电压和电流数据，研究计算了短路路径形成过程中的集射极电阻和耗散能量。结果表明，电阻先因Al-Si快速熔化而急剧下降，后因熔融物溢出而缓慢回升；能量则在约100微秒内快速增加并趋于稳定，标志着短路路径的形成。基于这些实验数据，研究提出了第一个关键模型：随时间变化的短路路径电阻有限元模型。该模型在COMSOL Multiphysics 6.0中建立，将实际观察到的Al-Si合金路径以二维形式置于芯片有源区边缘，并将其电阻值设置为根据实验数据拟合出的随时间变化的函数。仿真结果表明，路径中的最高温度超过硅的熔点，导致Al-Si熔合形成导电通路，同时高温高应力使得熔融物从发射极侧溢出，与实验观察完全吻合。

第二部分研究短路路径在单个失效子模块内部的延伸行为。研究对象为一个已失效（处于短路状态）的3.3 kV/50 A子模块。研究对其进行了长时间的耐久性测试，测试策略分为两个阶段：第一阶段采用固定导通/关断时间（导通60秒，关断40秒）的循环测试；七天后，观察到短路路径沿着有源区边缘延伸，完全占据了左侧和底边。由于导电面积增大，集射极电阻从0.5 Ω大幅降至0.01 Ω。第二阶段改用恒定导通策略，并将电流提升至180 A以加速老化。经过32天测试，短路路径形态保持稳定，电阻、结温和功耗也维持稳定，证明失效子模块在较大电流下仍能维持稳定的短路状态。基于此，研究提出了第二个模型：长度变化的短路路径三维有限元模型。该模型在子模块有源区边缘设置不同长度的Al-Si合金路径来模拟延伸过程。仿真发现，初始短路路径附近的温度显著高于其他区域，且沿有源区边缘（散热较差）方向的温度高于垂直方向，这解释了路径为何优先沿边缘延伸。随着路径长度的增加，其电阻下降导致功耗和最高温度降低。当路径延伸至初始失效点对角线位置（约17毫米）时，最高温度降至Al-Si熔合的临界温度（620 K）附近，此后路径预期不再延伸，与耐久性测试第二阶段的稳定性结果一致。

第三部分研究短路路径在多芯片模块中的扩散行为。首先，研究对象为3.3-kV/1.5-kA的多芯片模块（由30个前述子模块并联组成）。研究使用压敏测量薄膜测量了模块内部在40 kN夹紧力下的压力分布，发现中心区域的子模块所受夹紧力最高（约1800 N），而角落的子模块最低（约550 N）。由于夹紧力高的子模块接触电阻低，在冲击下会承载更高电流、更易失效，因此中心子模块被识别为多芯片模块的“薄弱区域”。接着，研究在一个多芯片模块的中心子模块（I15）中预先嵌入了一个失效子模块，并对其施加1.5 kA额定电流进行了2000分钟的耐久性测试。测试结果显示，模块电压变化可分为两个阶段：阶段一，电压先因失效子模块温升导致电阻增大而上升，后因短路路径扩散、导电面积增大而快速下降约40%并趋于稳定；阶段二，电压经历数次波动后最终达到另一个稳定状态。拆解后发现，模块内部出现严重烧蚀，角落和边缘的多个子模块（如I1， I3， I7， I8）烧毁开路。能谱分析发现开路的IGBT芯片表面存在大量钼，形成了低电导率的Mo-Si化合物，这是子模块开路失效的重要原因。同时，短路路径已从初始的I15扩散至整个左上角区域。为解释这一复杂的演化行为，研究建立了多芯片模块的有限元模型，并提出了第三个模型：失效子模块数量变化的短路路径模型。仿真首先成功复现了测试测得的夹紧力分布（中心高、边缘低）。然后，将I15设为预设失效子模块，分析其他子模块的温度分布。结果显示，与短路路径边缘相邻的子模块温度高于与角点相邻的，且位于模块边缘的子模块（因夹紧力低、接触热阻高）温度高于中心附近的子模块。因此，短路路径将向温度最高（超过620 K临界值）且相邻的子模块扩散，即主要沿模块边缘方向。模拟该扩散过程发现，随着短路子模块数量增加，路径电阻下降，模块电压快速下降，路径温度也降至临界值以下，达到相对稳定状态，这对应了测试的阶段一。然而，仿真进一步指出，在短路路径中，位于边缘（特别是角落）、温度长期高于Mo-Si反应临界温度（623 K）的子模块，有最高风险因生成低电导率Mo-Si化合物而发生开路失效。模拟了I1和I7相继开路后，路径电流重新分配导致温度骤升，短路路径再次沿边缘方向扩散。经过数次这样的“子模块开路-路径扩散”循环后，最终形成了一个温度均低于临界值的稳定短路路径，对应了测试的阶段二。

本研究的结论是系统而多层次的。首先，短路路径的形成源于大电流冲击下的高温导致芯片表面的铝涂层与硅基体熔合，形成Al-Si合金导电通路。其次，在单个子模块内，短路路径倾向于沿着散热较差的有源区边缘延伸，随着延伸，路径温度降低并最终稳定。第三，在多芯片模块中，短路路径的演化呈现“热感染”模式：首先在夹紧力最高的中心子模块处形成；随后快速向夹紧力较低、接触热阻较高的边缘子模块扩散；扩散导致路径整体温度下降；但路径中温度最高的边缘子模块可能因Mo-Si反应而开路失效，引发电流重分布和温度再次升高，驱动路径进一步沿边缘扩张；经过数次此类过程，最终形成一个相对稳定的短路路径网络。这些结论对于理解和预测PP-IGBT的失效演化、优化其模块设计和系统可靠性评估具有重要价值。科学价值在于首次通过实验与仿真结合，完整揭示了从微观形成到宏观演化的全过程，并建立了三个针对性强的有限元模型，为PP-IGBT失效物理研究提供了新的分析工具和理论框架。应用价值则直接指向电力电子设备的可靠性设计：研究结果表明，通过优化模块内部的压力分布（如使压力更均匀）、改进材料体系（如防止有害的Mo-Si反应），可以抑制短路路径的恶性扩散，从而可能减少甚至取消对旁路开关的依赖，真正发挥PP-IGBT“失效后仍可用”的潜力，提升系统经济性和可靠性。

本研究的亮点突出体现在以下几个方面。重要发现：首次明确了Al-Si熔合是短路路径形成的直接原因；揭示了子模块内短路路径沿边缘延伸的规律；发现了多芯片模块中短路路径“中心引发、边缘扩散、局部开路、再扩散”的复杂演化模式，特别是Mo-Si化合物生成导致子模块开路这一中间过程。方法新颖性：成功利用大电流探头突破了热失控后“视觉盲区”的测量难题；创造性地提出了三个层层递进的有限元模型（时变电阻模型、长度变化模型、失效子模块数量变化模型），将复杂的物理化学过程转化为可量化模拟的工程问题，实现了对测试结果的合理解释和预测。研究对象的特殊性：研究不仅关注单个器件，更深入到由多个子模块构成的大功率多芯片模块这一系统层级，其演化行为的研究对实际工程应用具有更强的指导意义。此外，研究中关于夹紧力分布测量与仿真验证、以及对失效产物进行的详细元素和形貌分析，都为该领域的后续研究提供了宝贵的数据和方法参考。