本文为您介绍一篇发表于2022年《The Proceedings of the 16th Annual Conference of China Electrotechnical Society》(LNEE 890卷)的学术论文，题目为《Research on Short Circuit Failure Mechanism of Press Pack IGBT Device Based on Al-Si Diffusion Molecular Dynamics Simulation》。该论文的作者是来自重庆大学电气工程学院、输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室的李辉、虞岳（通讯作者，邮箱：cquyue@163.com）和姚然。
一、 研究背景与目的 本研究属于电力电子器件可靠性领域，具体聚焦于压接式绝缘栅双极型晶体管（Press Pack IGBT， 简称PP-IGBT）的短路失效机理分析。PP-IGBT因其功率密度高、具备短路失效模式（Short Circuit Failure Mode, SCFM）等优点，被广泛应用于高压直流输电（HVDC）换流阀中。SCFM是指器件在发生短路时，会通过自身熔断形成金属性短路，从而保护整个阀段，无需外部快速旁路开关。然而，目前对SCFM的分析大多基于宏观实验现象，难以监测失效过程中器件内部性能参数的变化，也无法深入揭示由微观材料失效引发的SCFM根本机理和具体失效位置。这导致了在实际工程中，模块化多电平换流器（MMC）换流阀仍需配置旁路开关和保护二极管，未能充分利用PP-IGBT器件的SCFM优势。因此，为了优化HVDC工程成本，深入研究PP-IGBT的SCFM机理与定位，对于器件的状态监测和可靠性提升具有重要意义。
先前的研究（如Satish, Gunturi S.等）通过实验验证了长期功率循环后，芯片表面的铝（Al）和硅（Si）材料会发生电化学反应形成导电合金导致SCFM。Al-Si合金的共晶温度高于577°C，这在太阳能电池失效中常见。Balucani等人的研究表明，在高应力下反应温度会降低，Al-Si扩散可能在约330°C发生。然而，现有研究多关注宏观过程，缺乏对由微观材料变化引起的器件SCFM机理和位置的分析，使得失效分析深度有限。其难点在于器件内部复合应力变化复杂难以测量，且SCFM发生速度快难以监测。
分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟可以从原子层面展示系统的微观演化过程，直观揭示实验现象的机理和规律。与实验观测相比，它在定性和定量研究不同材料扩散特性方面具有优势。已有研究（如Qin, Choi等）利用MD模拟了液态Al-Si合金的结构与热力学性质，验证了高温下的Al-Si扩散，为使用MD研究Al-Si材料特性提供了理论基础。为了分析IGBT芯片Al-Si扩散的条件与过程，有必要开展针对PP-IGBT器件SCFM的MD-器件多层级耦合仿真研究。
基于此，本研究旨在提出一种基于Al-Si扩散MD模拟的方法，来研究PP-IGBT器件的SCFM机理。具体目标包括：1）建立IGBT芯片Al-Si扩散的MD模型并验证其有效性；2）研究不同工况下界面温度和应力对Al-Si扩散的影响，获取Al-Si扩散临界温度变化曲线；3）建立PP-IGBT的多物理场耦合模型，研究过流冲击下的瞬态热-力分布；4）基于Al-Si扩散条件，分析SCFM的机理与定位。
二、 详细工作流程 本研究的工作流程主要分为三个核心步骤，层层递进，从微观原子扩散模拟过渡到宏观器件失效分析。
第一步：IGBT芯片Al-Si界面分子动力学（MD）模拟建模与验证 首先，研究人员基于IGBT芯片的界面结构，建立了Al-Si扩散的MD模型。 1. 模型建立：几何模型如图3所示。接触面为理想平面。左侧为包含432个Al原子的晶体超晶胞，尺寸为4 × 4 × 8(Al)³。右侧为包含576个Si原子的晶体超晶胞，尺寸为3 × 3 × 6(Si)³。在x和y方向施加周期性边界条件。在z方向，两侧各固定三层原子以防止原子移出边界。原子初始速度由室温下的麦克斯韦速度分布给定。模型地面坐标指定为z=0。 2. 模型验证：为验证MD模型的有效性，将界面轴向应力设置为10兆帕（MPa），界面温度范围设为600-640开尔文（K）。模拟了不同温度下1000皮秒（ps）后的Al-Si界面形貌（图4）。结果显示，在600K时仅有少量原子扩散，而在620K及以上时发生明显扩散，大量原子相互扩散。为验证Al-Si扩散的临界温度，绘制了620K下扩散1000ps后界面的原子相对含量（at %）分布图（图5）。将at %超过5%的区域定义为扩散层，厚度约6.8埃（Å）。进一步研究温度对扩散的影响，得到了不同温度下1000ps后扩散层厚度的变化曲线（图6）。 3. 数据分析：图6显示，当温度小于等于610K时，扩散发生很少，扩散层厚度变化不大，约5.2Å，原子仅发生轻微扩散。当温度大于等于620K时，扩散层厚度出现明显拐点，并随温度升高迅速增加。结合扩散形貌（图4），认为在轴向应力为10MPa时，Al-Si扩散的临界温度为620K，这与文献中的603K存在约2.7%的误差，从而验证了所建立的MD模型和方法的有效性。
第二步：不同条件对Al-Si扩散的影响研究 在验证模型的基础上，系统研究了界面温度和应力对Al-Si扩散的影响规律。 1. 界面温度的影响：在轴向应力为10MPa条件下，计算了600K-640K时Si原子的均方位移（Mean Square Displacement, MSD）（图7）。MSD随时间增加，表明原子在做扩散运动，其上升趋势的速度反映了该时刻扩散的剧烈程度。结果显示，温度≤610K时，MSD变化极小，斜率接近零；温度≥620K时，在相同扩散时间内，MSD随温度升高线性增加。这表明界面温度会促进Al-Si扩散，且当温度高于扩散条件（620K）时，促进作用更为明显。 2. 大温度范围研究：考虑到Al和Si的熔点分别为933K和1683K，界面扩散温度通常需达到其熔点的0.6-0.8倍。为进一步研究更大温度范围的影响，将界面温度设置为500K、700K和800K（轴向应力仍为10MPa），模拟1000ps后的界面形貌（图8）。结果显示，500K时无扩散层；700K时可形成较厚的稳定扩散层；800K时，除固定层原子外的所有Al原子都扩散进入了Si原子区域。扩散层厚度与温度呈正相关。由于Si熔点更高，Si-Si共价键比Al-Al金属键更强。在高温和应力下，Al结构首先被破坏，Al-Al键断裂后形成的空位和缺陷促进了Si原子向Al基体扩散，因此扩散层主要位于靠近Al的一侧。 3. 界面应力的影响：当PP-IGBT器件受到过流冲击时，内部材料热膨胀会导致芯片表面某些区域的应力达到数百兆帕。研究设置了0-500MPa的Al-Si界面轴向应力，并分析了其影响。选择500-700K的温度进行分析。图9-11展示了不同温度下Si原子的MSD随应力和时间的变化。图9显示，在500K时，MSD随时间波动，表明扩散未发生，原子仅在平衡位置附近振动。图12展示了在700K下，不同应力作用1000ps后扩散层的变化。结果表明，增加轴向应力在一定程度上会促进Al-Si扩散的发展。这是因为应力导致界面处晶格发生严重畸变，产生位错、空位等结构缺陷，促进了原子在基体中快速扩散通道的形成。 4. 复合条件（温度与应力耦合）的影响：图13展示了不同温度和应力复合条件下，MSD随时间的变化。当应力增加到280MPa时，610K下1000ps的MSD为1.11Å。当应力增加到500MPa时，600K下1000ps的MSD为1.10Å。因此，不同温度和应力条件下的Al-Si扩散程度可以相互等效。应力的增加会在一定程度上降低Al-Si扩散的临界温度。通过拟合，得到了临界温度（Tc）与应力（σ）的关系公式：Tc = -0.041σ + 620.711（公式1）。
第三步：PP-IGBT器件短路失效模式（SCFM）分析 基于微观MD模拟得到的Al-Si扩散条件，研究人员建立了PP-IGBT器件的宏观有限元模型，以定位最可能发生失效的“薄弱点”。 1. 有限元模型建立：基于图1所示的3.3 kV/50 A单芯片PP-IGBT器件结构，使用COMSOL软件建立了多物理场耦合有限元（FEM）模型。模型中包含了集电极铜板（CCP）、集电极钼板（CMP）、IGBT芯片、发射极钼板（EMP）、银垫片（SSP）和发射极铜板（ECP）各层，其材料参数（面积、厚度、热膨胀系数、热导率、热容、密度）详见表1。为减少仿真时间，忽略了PEEK、门极引脚、PCB板、外壳等对功耗和温度影响极小的结构。在CCP和ECP表面设置5000 W/(m²·K)的散热系数以模拟器件的双面散热。对集电极施加1200 N的均匀压装力，并将发射极设置为固定支撑。FEM模型及边界条件如图14所示。 2. 短路瞬态仿真：根据对PP-IGBT器件进行的短路实验参数（SCFM约在800微秒后发生），设置了瞬态仿真参数（电压、电流随时间变化如图15）。仿真得到了芯片温度随时间的变化（图16）。基于SCFM发生的温度条件，仿真进行到480微秒时，最高温度达到620K，这已达到第三步中获得的临界值。此时，芯片表面的温度和应力分布如图17所示。 3. 结果分析与失效概率分布：图17(a)显示，IGBT芯片的最高温度区域位于门极附近，约620K，峰值达645.1K。约500-620K的高温区是未与EMP直接接触的芯片有源区，该区域在短时间内无法有效散热。与EMP接触的有源区可以散热，温度为490K。终端区温度最低，约280-480K，最低为284.1K。图17(b)显示，与EMP接触的边缘区域应力更集中，约350-450 MPa。最大应力位于门极附近，约491.1 MPa。与EMP直接接触的芯片其余部分应力约270 MPa，芯片周围未与EMP接触的终端区应力最小，最小值仅5.9 MPa。 4. 综合分析与定位：综合图17的温度/应力分布和图13的复合条件扩散规律，绘制了芯片发生SCFM的相对概率分布图（图18），颜色越深表示概率越大。分析表明，门极附近的有源区以及与EMP接触的拐角区域发生SCFM的概率最高，是芯片最薄弱的区域，SCFM通常首先在此处发生。应力的增加降低了Al-Si扩散的临界温度，促进了扩散的进一步发展，使得与EMP接触的边缘区域也以满足扩散条件，具有较高的SCFM发生概率。芯片表面其他区域的失效概率几乎为零。
三、 主要结果 1. MD模拟结果：成功建立了有效的Al-Si界面MD模型，验证了在10 MPa轴向应力下，Al-Si扩散的临界温度为620 K。系统研究表明，升高温度和增加应力均能促进Al-Si扩散。特别是增加应力可显著降低扩散发生的临界温度，当应力增至500 MPa时，临界温度可降至600 K。这从微观角度解释了为何在相对较低的实验观测温度下（如330°C ≈ 603K）也会发生SCFM。 2. 多物理场耦合仿真结果：建立了PP-IGBT器件的多物理场耦合FEM模型，准确模拟了短路冲击下器件内部的瞬态温度场和应力场。仿真发现在短路过程中（如480μs），芯片局部区域（尤其是门极附近和与EMP接触的边缘）的温度和应力可以同时达到甚至超过MD模拟所确定的Al-Si扩散临界条件。 3. SCFM定位结果：综合微观扩散条件和宏观场分布，首次清晰给出了PP-IGBT芯片上发生SCFM的概率分布图。明确指出两个最脆弱的区域：① 门极附近的有源区；② 与发射极钼板（EMP）接触的拐角区域。这些区域是短路失效最可能首先发生的位置。
四、 结论与意义 本研究得出以下核心结论： 1. 分子动力学模拟表明，在10 MPa轴应力下，Al-Si扩散的临界温度为620 K。升高温度和增加应力均会促进Al-Si扩散。特别是增加应力可在一定程度上降低临界温度，当应力增至500 MPa时，临界温度降至600 K。这解释了为何SCFM会在较低温度下发生。 2. 对于IGBT芯片，门极附近的有源区以及与EMP接触的拐角区域发生SCFM的概率最大。与EMP接触的边缘区域概率较大，而芯片表面的其他区域概率几乎为零。
本研究的价值体现在： * 科学价值：首次将分子动力学（MD）模拟与器件级多物理场有限元（FEM）仿真相结合，建立了一套从原子尺度微观扩散机理到器件宏观失效行为的跨尺度研究方法。清晰揭示了PP-IGBT短路失效（SCFM）的本质是特定局部区域在电-热-力多物理场耦合作用下，触发Al-Si互扩散形成导电通路的过程。 * 应用价值：研究结果对于PP-IGBT器件的设计与优化具有直接指导意义。设计人员可以针对识别出的薄弱区域（门极附近、EMP接触区）进行强化设计，例如优化芯片布局、改进压接结构、选用更高熔点的界面材料或增加扩散阻挡层等，以提升器件的短路鲁棒性和可靠性。同时，该研究为实现在线状态监测和失效预警提供了理论依据，有助于推动HVDC换流阀省去外部快速旁路开关，从而降低工程成本。
五、 研究亮点 1. 方法创新：开创性地采用“分子动力学（MD）模拟 + 多物理场有限元（FEM）仿真”的跨尺度耦合分析框架，将微观材料行为与宏观器件特性紧密联系起来，为电力电子器件失效机理研究提供了新的范式。 2. 机理深化：超越了传统的宏观实验观察和唯象分析，从原子扩散的物理本质层面深入揭示了PP-IGBT短路失效模式（SCFM）的起源，明确了Al-Si互扩散是导致失效的关键微观过程。 3. 精确定位：不仅揭示了失效机理，更进一步结合仿真结果，定量化地给出了芯片内部发生SCFM的概率空间分布图，实现了对失效位置的精准预测，这对可靠性设计和失效分析极具价值。 4. 清晰的定量关系：通过系统模拟，拟合得到了Al-Si扩散临界温度与界面应力之间的定量关系公式（Tc = -0.041σ + 620.711），使得对复杂耦合作用下失效阈值的判断更为科学和精确。