本研究由重庆大学电气工程学院电力设备与系统安全及新技术国家重点实验室的Hui Li、Haiyang Long、Ran Yao、Xiao Wang、Yi Zhong、Renze Yu团队，以及全球能源互联网研究院有限公司的Jinyuan Li合作完成，成果发表于2020年1月的《IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology》期刊（卷10，第1期）。

学术背景

该研究聚焦高功率压接式绝缘栅双极晶体管（Press-Pack IGBT, PP-IGBT）的封装可靠性问题。PP-IGBT因其高功率密度、双面散热、低热阻及短路失效特性，广泛应用于高压直流输电（HVDC）的模块化多电平换流器（MMC）。然而，传统PP-IGBT因材料间热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）不匹配，在循环热应力下易出现接触面积减少，影响器件可靠性。为此，研究团队提出采用纳米银浆（nanosilver paste）烧结封装技术，开发了烧结压接式IGBT（Sintered Pack IGBT, SP-IGBT），旨在通过纳米银的高导热性和导电性提升器件性能，并探索其长期可靠性。

研究流程

1. 器件制备与结构设计

   • 研究对象为单芯片3.3 kV/50 A SP-IGBT，其结构包括铜电极、钼缓冲层（Mo plates）、纳米银烧结层（100 μm厚）及IGBT芯片。纳米银浆烧结工艺参考了团队前期工作（Feng et al., 2018），封装过程省略了传统焊料层和键合线。
     
   • 对比组为商用PP-IGBT，两者结构差异通过扫描电镜（SEM）和能谱仪（EDS）验证。

2. 功率循环测试（Power Cycling Test, PCT）

   • 测试平台基于直流电源、电感负载和LabVIEW控制系统，采用70 A恒定电流，40秒导通/80秒关闭的循环模式（共5500次）。
     
   • 关键监测参数为导通电压（Vce），通过数据采集电路实时记录。测试中，SP-IGBT的Vce在5500次循环后骤升至9.5 V，触发短路失效。
     

3. 失效分析与机理验证

   • 失效现象：短路发生于集电极钼层与发射极之间，而非传统PP-IGBT的电击穿。SEM显示失效芯片边缘存在熔融银浆（含89% Ag和5% Mo），证实纳米银层因局部过热熔化并被外部压力挤出，形成导电通路。
     
   • 有限元分析：基于COMSOL Multiphysics建立电-热耦合模型，引入Anand模型描述纳米银层的力学行为。模拟显示，纳米银层的热应力张量（TST）远高于钼和硅芯片，主因是其杨氏模量（Young’s modulus）仅为钼的1/6、硅的1/3，且CTE差异显著（纳米银CTE为钼的4倍、硅的7倍）。循环热应力导致纳米银层变形累积，最终因瞬时功率损耗（700 W）引发局部熔融。
     

主要结果与逻辑链条

• Vce突变与短路关联：PCT数据显示Vce骤升与短路同步发生，结合SEM/EDS分析，证实失效源于纳米银熔融。
  
• 材料特性主导失效：有限元模拟揭示纳米银层因CTE和杨氏模量不匹配成为器件薄弱点，与实验结果一致。
  
• 与传统PP-IGBT差异：传统失效模式为电击穿，而SP-IGBT因纳米银迁移形成物理短路，凸显封装材料的关键影响。
  

结论与价值

研究首次揭示了纳米银烧结PP-IGBT的特殊短路失效机制，提出材料热力学特性不匹配是主因。其科学价值在于：
1. 为高功率器件封装材料选择提供理论依据，强调CTE和杨氏模量的协同优化；
2. 揭示了纳米银浆在高压场景下的潜在风险（如电迁移和热失控），推动工艺改进（如颗粒尺寸调控或烧结工艺优化）。
应用层面，该成果对HVDC等高压系统的可靠性设计具有指导意义。

研究亮点

1. 创新方法：结合PCT、SEM/EDS与多物理场仿真，系统性解析失效机理；
   
2. 特殊现象发现：首次报道纳米银熔融导致的非电击穿短路模式；
   
3. 跨学科融合：将材料力学（Anand模型）与电力电子器件分析结合，拓宽了可靠性研究维度。
   

其他价值

研究指出未来需深入探究纳米银成分、颗粒尺寸及电迁移行为对失效的影响，为后续研究指明方向。团队前期建立的PCT平台（Lai et al., 2019）和多芯片压接模型（Li et al., 2019）为本工作奠定了技术基础。