关于“压接式IGBT串联堆叠应用中夹紧区域对其性能的热力学分析”的研究报告
本报告旨在向国内相关领域研究人员介绍一篇关于压接式绝缘栅双极型晶体管（Press-Pack IGBT， PP-IGBT）性能与可靠性研究的重要论文。该研究深入探讨了外部夹紧装置在高压串联应用中对PP-IGBT模块，特别是位于堆叠两端的模块，其热力学性能的关键影响。
本研究由戴思阳（Siyang Dai， IEEE学生会员）、王志强（Zhiqiang Wang， IEEE会员）、吴海萌（Haimeng Wu， IEEE会员）、宋学官（Xueguan Song）、李国锋（Guofeng Li， IEEE会员）以及Volker Pickert（IEEE会员）共同完成。研究团队主要来自大连理工大学电气工程学院与机械工程学院，以及英国诺森比亚大学和纽卡斯尔大学。这项研究成果以题为《Thermal and Mechanical Analyses of Clamping Area on the Performance of Press-Pack IGBT in Series-Connection Stack Application》的论文形式，发表于国际知名期刊《IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology》2021年2月刊（第11卷第2期）。
1. 研究领域：本研究属于大功率电力电子器件封装与可靠性领域，聚焦于压接式半导体器件的多物理场（电-热-力）耦合分析与优化设计。
2. 研究背景与动机：PP-IGBT因其无绑定线、失效模式稳定（短路失效后仍能维持一定结构）及防爆等优点，在高功率、高可靠性系统（如高压直流输电HVDC和柔性交流输电系统FACTS）中具有广泛应用。然而，其可靠性高度依赖于封装内部均匀的机械应力分布。在高压应用中，通常需要将多个PP-IGBT与散热器串联堆叠，并通过外部夹紧夹具施加统一的夹紧力。这种结构中，位于堆叠两端的PP-IGBT（终端器件）的性能尤为关键，因为夹紧力通过散热器和夹具传递到它们的方式与其他中间器件不同。不合适的夹具设计（如夹紧面积不当）或散热器厚度不足，会导致终端器件内部芯片应力分布严重不均，进而引发接触失效、局部过热甚至芯片烧毁，成为整个串联系统的薄弱环节。以往的研究在建立有限元模型时，往往忽略了散热器元件，且通常假设夹紧夹具与器件直径相同，未能准确反映实际堆叠结构中的力学传递和热分布特性。因此，系统性地研究夹紧区域面积对PP-IGBT，特别是串联堆叠中终端器件的热力学性能（包括形变、温度和应力分布）的影响，具有重要的工程意义和理论价值。
3. 研究目标： * 探究不同夹紧面积对PP-IGBT集电极盖板形变、芯片温度分布及应力分布的影响。 * 分析散热器厚度对串联堆叠系统中终端PP-IGBT应力均匀性的影响，以优化堆叠系统整体长度。 * 结合均匀与非均匀热接触电阻的假设，分析温度场与应力场的耦合效应。 * 通过应力敏感膜实验验证所开发的有限元模型的准确性。
本研究采用了数值仿真与实验验证相结合的方法，主要流程包括有限元建模与仿真分析，以及实验验证两个核心部分。
流程一：有限元建模与边界条件设定 1. 研究对象与模型构建：研究以一款典型的PP-IGBT模块为对象，其内部包含15个并联的IGBT芯片和6个快恢复二极管（FRD）芯片，夹在两个用于保护芯片的钼板之间。利用SolidWorks软件构建了包含4个PP-IGBT串联、中间夹有散热器、两端由圆柱形夹紧夹具固定的三维堆叠几何模型。模型详细考虑了各层材料（铜电极、钼板、硅芯片、铝散热器、钢制夹具）及其尺寸。 2. 模型简化与关键假设：为聚焦研究夹紧面积和散热器的影响，研究进行了合理简化。例如，忽略了栅极引脚的微小细节；在研究应力分布时，首先分析无功率损耗的“预紧阶段”，然后再分析有功率损耗的“加热阶段”；在热分析中，假设散热器表面具有恒定的对流换热系数。 3. 边界条件与材料属性： * 力学边界：在夹紧夹具端面施加恒定的夹紧压力（4.5 MPa）。各接触面（如芯片与钼板、钼板与电极、器件与散热器、散热器与夹具）设置了摩擦接触条件。 * 热学边界：所有IGBT芯片被设置为具有相同功率损耗（150W/芯片）的热源。散热器冷却水温度设为50°C，并赋予其表面相应的对流换热能力。环境温度设为20°C。 * 材料属性：模型中输入了所有材料（铜、硅、钼、铝6061 T6、钢）的温度依赖性力学与热学属性，如杨氏模量、泊松比、热膨胀系数（CTE）、导热系数、比热容和密度。 4. 网格敏感性分析与求解设置：使用ANSYS Workbench进行静态力学和热力学耦合有限元分析。为确保结果收敛与计算效率的平衡，进行了网格敏感性研究。最终确定对芯片和钼板采用1mm的六面体网格，其他部件采用3mm的多区域扫描网格，总计约22.6万个单元，88.3万个节点。求解器采用增强拉格朗日算法处理摩擦接触问题。
流程二：仿真参数研究与分析步骤 研究系统性地改变了两个关键参数进行仿真分析： 1. 夹紧夹具半径（r）：在15 mm至70 mm之间变化（器件本身半径为42.5 mm），以模拟不同的夹紧面积。 2. 散热器厚度（2hh）：分析其对相邻两个PP-IGBT之间应力传递均匀性的影响。 分析分为三个渐进的阶段： * 阶段A（无加热）：仅施加夹紧力，分析纯机械载荷下的集电极形变和芯片应力分布。此阶段旨在理解夹紧面积对初始应力分布的影响。 * 阶段B（均匀热接触电阻）：在保持夹紧力的同时，为所有芯片施加相同的功率损耗，并假设所有芯片与钼板之间的热接触电阻相同（0.11 K/W）。分析加热导致的温度分布、热膨胀、集电极翘曲以及由此产生的热-力耦合应力场。 * 阶段C（非均匀热接触电阻）：考虑到加热后，由于各芯片温度不同和集电极翘曲程度不同，芯片与钼板之间的实际间隙（即接触状况）会发生变化，进而导致热接触电阻不同。研究基于阶段B计算出的芯片与钼板的形变偏差，重新估算了非均匀分布的热接触电阻值，并以此更新温度场，再进行一次热2力耦合分析，以更真实地反映实际情况。
流程三：实验验证 为了验证有限元模型的准确性，特别是无加热阶段应力分布的预测能力，研究团队设计了实验进行对比。 1. 实验装置：使用带有压力显示装置的压装试验台，将PP-IGBT模块、散热器以及不同半径（与仿真参数对应）的钢制圆柱形夹紧夹具组装成堆叠结构。 2. 测量方法：采用应力敏感薄膜测量芯片表面的压应力分布。该薄膜由两层聚酯基片组成，其中一层涂有微胶囊显色材料，另一层涂有显色剂。当施加压力时，微胶囊破裂，发生化学反应产生红色斑点，斑点的颜色饱和度与所受压力大小成正比。 3. 实验流程：将应力敏感薄膜置于PP-IGBT内部的芯片与上钼板之间。对不同夹紧夹具半径的情况分别施加额定的夹紧力。卸载后，取出薄膜，通过图像处理软件（如计算机辅助软件）分析薄膜上对应于特定芯片区域（如中心位置的FRD#3、#6和边缘位置的IGBT#14）的红色斑点的颜色饱和度，并根据标准色样密度对照表换算成应力值。 4. 数据处理：将实验测得的芯片应力值与对应工况下有限元仿真的结果进行对比，计算误差，并观察应力分布随夹紧面积变化的趋势是否一致。
1. 无加热阶段的机械性能分析结果： * 集电极形变：当夹紧半径r小于器件半径（42.5 mm）时，集电极边缘向上翘曲，中心轻微凹陷。当r等于器件半径时，形变最小且均匀。当r大于器件半径时，集电极边缘向下弯曲。这表明夹紧面积必须与器件匹配才能实现力的均匀传递。 * 芯片应力分布：仿真与实验均证实，应力分布对夹紧面积极为敏感。当r < 42.5 mm时，夹紧力集中在中心区域，导致中心芯片（如FRD#3）承受高压应力，而边缘芯片（如IGBT#14）应力接近于零，存在接触失效风险。当r > 42.5 mm时，高压应力区转移至外围芯片。只有当r恰好等于器件半径（42.5 mm）时，所有芯片承受的应力最为均匀。实验数据的趋势与仿真高度吻合，误差保持在11%以内，有效验证了模型在机械分析方面的准确性。
2. 加热阶段（均匀热接触电阻）的热力学性能分析结果： * 温度分布：由于热耦合效应，即使不工作的FRD芯片也会升温。位于模块边缘的IGBT芯片（如#14）温度高于中心芯片（如FRD#3），温差可达14.3°C。 * 热致形变与应力：加热导致各金属层发生不同程度的热膨胀，集电极边缘产生显著的向上翘曲（最高达37 μm）。夹紧力可以抑制这种翘曲，但抑制效果取决于夹紧面积。关键发现是：在无加热阶段表现最优的r=42.5 mm夹紧方案，在加热阶段不再是最佳选择。由于热膨胀导致边缘芯片接触变差，其承受的压应力减小，甚至可能转为拉应力，而中心芯片仍承受较高压应力。芯片间的等效应力（von Mises stress）差异巨大（如IGBT#14与FRD#3之差达11.6 MPa），这种极端的应力不均成为器件失效的潜在诱因。 * 夹紧面积优化效果：增大夹紧面积（r > 42.5 mm）能有效补偿集电极的热翘曲变形。当r增大到70 mm时，集电极形变量最小，芯片间的应力分布均匀性得到显著改善。IGBT#14与FRD#3之间的应力差异从r=42.5 mm时的3.11 MPa降至2.25 MPa，降幅达38%。标准偏差分析也表明，更大夹紧面积下的应力分布更均匀。
3. 非均匀热接触电阻下的分析结果： * 考虑因形变差异导致的非均匀热接触电阻后，各芯片的温度需要重新计算。结果显示，边缘芯片由于接触变差、热阻增大，其温度比均匀假设时更高，且这种温升在夹紧面积较小时更明显。 * 更新温度场后再次进行力学分析发现，由温度差异引起的热应力偏差依然存在，但增大夹紧面积可以同时降低芯片温度和减少因温度引起的应力偏差。这进一步证明，在实际工作（加热）状态下，采用比器件半径更大的夹紧面积有利于提升器件可靠性。
4. 散热器厚度的影响结果： * 对于串联堆叠中直径不同的PP-IGBT，位于它们之间的散热器厚度会影响应力传递的均匀性。仿真表明，当散热器厚度较薄时（如20 mm），在夹紧力作用下其下表面会发生弯曲，导致传递给下方器件的载荷不均匀，下方器件边缘区域应力不足。 * 当散热器总厚度增加到不小于器件半径（在本案例中为42.5 mm）时，其抗弯刚度足够大，不再发生明显弯曲，能够将夹紧力均匀地传递到下一个PP-IGBT，从而保证堆叠中每个器件的内部应力分布均匀性。
1. 主要结论： * 无加热预紧阶段：夹紧夹具半径与PP-IGBT半径相同时（r=42.5 mm），可获得最均匀的芯片应力分布。 * 加热工作阶段：由于热膨胀和翘曲，上述“最佳”设计不再适用。增大夹紧面积（例如r=70 mm）能有效补偿热翘曲，显著改善芯片间的应力均匀性，降低因热-力耦合不均导致的失效风险。 * 串联堆叠设计：为保证应力传递均匀，相邻PP-IGBT之间散热器的总厚度应不小于器件半径。 * 方法有效性：所建立的多物理场有限元模型通过了应力敏感膜实验的验证，可用于PP-IGBT封装与系统集成的设计与优化。
2. 研究价值： * 科学价值：首次系统揭示了在串联堆叠应用中，外部夹紧区域面积对终端PP-IGBT热力学性能的复杂影响机制，明确了“无热状态最佳设计”与“工作状态最佳设计”的不同，强调了在器件可靠性评估中必须考虑热-力强耦合效应。 * 应用价值：为高功率变流器，特别是采用PP-IGBT串联技术的高压系统（如HVDC换流阀），提供了关键的机械设计指导原则。研究结论可直接用于优化夹紧夹具设计和散热器选型，在保证可靠性的同时，有助于缩短堆叠系统总长度，提高功率密度。
论文中对PP-IGBT潜在的失效模式（如微电弧侵蚀、机械断裂）及其与应力不均的关系进行了综述，为理解研究的重要性提供了背景。同时，文中详细介绍了如何通过形变偏差估算非均匀热接触电阻，这为从事类似多物理场耦合仿真的研究者提供了有益的方法参考。此外，对网格敏感性分析的描述，也体现了数值仿真研究的严谨性。