本文题为“基于液态金属热界面材料的压接型IGBT器件热接触电阻优化”，发表于2022年5月的IEEE Transactions on Power Electronics期刊第37卷第5期。论文作者包括Xiao Wang、Hui Li、Ran Yao、Wei Lai（IEEE会员）、Renkuan Liu、Renze Yu、Xianping Chen（IEEE高级会员）以及Jinyuan Li，主要来自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，以及全球能源互联网研究院有限公司先进输电技术国家重点实验室。
该研究是一项专注于高功率电力电子器件封装与热管理的原创性研究工作，隶属于电气工程与功率半导体器件可靠性领域。研究团队之所以开展此项研究，是因为压接型绝缘栅双极晶体管（Press-pack IGBT， PP-IGBT）器件在高电压、大容量应用（如高压直流输电、脉冲功率）中展现出双面冷却、短路失效模式等优势。然而，器件内部多层材料之间通过机械压力连接，由于表面微观不平整，产生了显著的热接触电阻（Thermal Contact Resistance）。文献指出，在PP-IGBT器件中，热接触电阻可占总热阻的50%以上，严重制约了器件的散热能力，导致结温升高、内部热分布不均，并加速器件老化失效（例如，结温每升高10°C，器件失效率可能翻倍）。传统的优化方法，如使用纳米银浆烧结，虽然能降低热阻，但存在工艺复杂、成本高、以及在高功率循环下可能引发新的失效模式等问题。因此，研究团队旨在寻找一种更高效、低成本且工艺简单的方法来优化PP-IGBT器件的热接触电阻，从而提高其热可靠性与长期运行稳定性。本研究的具体目标包括：提出并实施一种使用高导热导电的液态金属作为热界面材料（Thermal Interface Material, TIM）填充接触界面以优化热接触电阻的方法；通过仿真和实验对比优化前后器件的热特性；验证优化后器件的高压绝缘可靠性和长期功率循环可靠性。
研究工作的详细流程包含以下几个主要环节：概念与材料选择、优化器件制备工艺、有限元仿真对比分析、稳态实验验证、界面微观结构分析以及可靠性测试。
首先，在概念设计与材料选择环节，研究团队确定了对PP-IGBT器件中热接触电阻贡献最大的两个界面进行优化：IGBT芯片与集电极钼层、以及芯片与发射极钼层的接触面。他们选择使用液态金属作为填充材料，因其具备高导热性和导电性。考虑到IGBT芯片电极通常为铝镀层，而镓基液态金属会腐蚀铝，因此选择了更适合的铋基液态金属。该液态金属的熔点约为50°C，略低于器件典型工作温度，确保其在运行时为液态以更好地填充界面空隙。为了防止液态金属因振动等发生流动导致短路，研究中还向液态金属中添加了少量纳米氧化颗粒以降低其流动性。
其次，在优化器件的制备工艺环节，研究团队开发了一套具体的封装流程。他们采用热喷涂技术将液态金属涂覆在集电极和发射极钼板上，以精确控制涂层厚度（约5微米），避免过量导致短路。最初的尝试中，在额定压力下直接封装导致了芯片损坏，原因是液态金属涂层中的气泡和芯片温度不均导致了接触压力分布不均。为此，团队创新性地提出了一种“阶梯压力法”：在施加50A电流使芯片发热、液态金属熔化的过程中，将夹紧力从500N逐步增加到1200N。这种方法有效降低了封装过程中芯片承受的瞬态接触应力，成功制备出了液态金属填充的IGBT组件，仅有少量液态金属从边缘溢出，由于流动性低而未造成短路。
第三，在有限元仿真对比分析环节，为了从理论上评估优化效果，研究团队使用COMSOL Multiphysics软件建立了传统商用PP-IGBT器件和优化后器件的有限元模型。在优化模型中，芯片与钼层的接触面被替换为一个5微米厚的液态金属层。仿真输入了实际测量的材料参数、表面粗糙度和显微硬度。通过设置相同的边界条件（环境温度23°C、夹紧力1200N、对流换热系数等），并引入与电流和温度相关的芯片导通电阻函数，进行了电热耦合仿真。仿真结果表明，在50A电流下，优化后器件的通态压降从3.25V降至3.10V，意味着导通损耗降低；平均结温从75.1°C显著降低至66.3°C，最大结温降低15.1°C，同时钼层和壳温有所升高，说明热量更有效地从芯片传递出去；内部温度分布也更加均匀。此外，研究还通过建立Cauer热网络模型进行了理论计算，量化了热接触电阻的减少：传统器件中芯片集电极和发射极接触面的热接触电阻分别为0.0827 K/W和0.1155 K/W，而优化后被替换为液态金属层的热阻，分别为0.0031 K/W和0.0258 K/W，降幅显著。
第四，在稳态实验验证环节，研究搭建了实物测试平台对仿真结果进行验证。实验对象包括一个传统商用3300V/50A PP-IGBT器件和三个优化后的同规格器件。在夹紧力1200N、冷却水温20°C的条件下，分别施加50A和70A直流电流，测量器件的通态压降、结温和壳温。实验数据与仿真结果高度吻合。在50A电流下，优化器件的通态压降低0.09V，稳态结温从74.6°C降至65.1°C，降低了9.5°C，同时集电极侧和发射极侧壳温分别上升了4.2°C和1.9°C，印证了更好的散热效果。根据测得数据计算，优化后器件的整体结壳热阻降低了33.6%。在70A电流下，优化效果更加明显，结温降低达16.7°C，整体结壳热阻降低33.2%，证明该优化方法在不同电流水平下均有效且效果稳定。
第五，在界面微观结构分析环节，为了深入理解液态金属降低热接触电阻的机理，研究团队建立了微观结构分析平台。他们将封装测试后的优化器件组件用环氧树脂固定、切割、抛光后，在显微镜下观察芯片与钼层界面。观察发现：在室温下，液态金属以固体颗粒形式存在于接触面，增加了真实接触面积；在器件工作温度（60°C）下，液态金属熔化并均匀分布在界面间隙中，此时热接触电阻实质上被替换为更低的液态金属层导热热阻。这直观地解释了优化器件具有更低热阻和更好散热性能的原因。
第六，在可靠性测试环节，研究对优化器件的工程实用性进行了严格评估。首先进行了高压绝缘测试（阻断电压测试），将优化器件的Vce从0V增至3000V，测得其漏电流小于4μA，证明了优化后器件在高电压下仍能可靠绝缘工作。其次进行了功率循环测试，以验证长期可靠性。测试条件苛刻：电流90A，结温波动δTj为115°C（Tjmax=135°C， Tjmin=20°C）。经过5000次循环后，两个测试样品中，一个的通态压降基本不变，另一个在4500次循环后从5.34V增至5.52V（增幅约3.4%）。循环后再次测量热阻，样品1和样品2的总结壳热阻分别增加了约10%以内。根据加速老化测试标准，结壳热阻变化在10%以内、通态压降变化在5%以内，可认为器件仍处于健康状态。因此，该测试证明了优化后的PP-IGBT器件具有良好的长期运行可靠性。
基于以上系统性的研究流程与结果，本文得出了明确的结论：提出并验证的基于液态金属热界面材料的优化方法，能有效降低PP-IGBT器件的热接触电阻。与传统商用器件相比，优化后器件的结壳热阻可降低30%以上，显著提升了散热性能。同时，高压绝缘测试和功率循环测试证实了该方法的可靠性与实用性。在讨论部分，作者还将该方法与现有的纳米银烧结技术进行了多维度对比，突出了液态金属方法的优势：界面结构更薄（μm vs. 30-100μm），避免了焊层开裂风险；材料与工艺成本更低；制备工艺更简单（无需基板金属化预处理，所需温度和压力更低，加热时间更短）。因此，本研究证明这是一种针对PP-IGBT器件热接触电阻优化的有效且低成本的方法。
本研究的亮点与重要发现包括：第一，创新性地将铋基液态金属作为热界面材料引入到PP-IGBT器件内部的关键接触界面进行填充优化，为解决大容量压接器件散热瓶颈提供了一种新思路。第二，针对液态金属封装工艺中的芯片应力问题，发明了“阶梯压力法”，这是成功实现该技术应用的关键工艺创新。第三，研究体系非常完整，涵盖了从材料选择、工艺开发、理论仿真（电热耦合有限元分析、热网络模型）、实验验证（稳态热特性）、机理分析（微观结构观测）到可靠性考核（高压、功率循环）的全链条，论证充分有力。第四，研究不仅证明了优化方法的有效性，还通过与传统纳米银烧结技术的详细对比，清晰阐明了所提出方法在性能、成本和工艺上的综合优势，具有重要的工程指导价值。
这项研究具有重要的科学价值与应用价值。在科学层面，它深化了对功率器件内部界面热输运机制的理解，特别是液态金属在动态热管理中的作用机理。在应用层面，它为大功率电力电子装置，尤其是高压直流输电、新能源发电并网等对器件可靠性要求极高的领域，提供了一种提升核心功率器件（PP-IGBT）散热能力和长期可靠性的实用化、低成本技术方案，对于推动相关装备的技术进步和可靠性提升具有重要意义。