本文是由Jianfeng Li, Imran Yaqub, Martin Corfield 和 Christopher Mark Johnson 共同完成的研究，其中Jianfeng Li, Martin Corfield, Christopher Mark Johnson 来自英国诺丁汉大学电气与电子工程系，Imran Yaqub 来自英国Dynex半导体有限公司。该研究成果发表于 IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology 期刊，第7卷第5期，出版于2017年5月。

这项研究属于电力电子器件封装与可靠性领域。其核心学术背景在于：绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor， IGBT）模块在电力网络中应用广泛，其失效行为对于系统可靠性至关重要。一种理想的失效模式是稳定短路失效模式，即IGBT在损毁后能维持一个稳定、低电阻的短路状态，使得串联系统中即使有冗余模块失效，整体电路仍能继续工作，直到计划性维护时再更换故障模块。这种特性对于偏远或维护成本高昂的设施尤为重要。尽管已有商业IGBT模块（如压接式Press-pack和堆栈式Stakpak模块）声称能实现SCFM，但这些模块制造工艺复杂、成本高昂。此外，先前研究推荐的一些互连材料组合（如烧结银用于芯片贴装，铜用于顶部插入材料）缺乏实验数据验证其实现稳定SCFM的能力。因此，本研究旨在系统地筛选和评估用于IGBT模块芯片贴装和顶部插入的互连材料组合，以找到能够实现稳定短路失效行为的最佳材料方案，并深入探究其微观机理。研究的具体目标包括：1) 比较不同材料组合构造的IGBT样品的失效行为与稳定性；2) 识别可用于实现稳定SCFM的材料；3) 表征测试样品的微观结构，揭示稳定SCFM的微观特征；4) 通过有限元模拟过电流测试过程中的温度场，解释稳定与不稳定SCFM的微观结构形成原因。

研究的工作流程详细且系统，主要包括五个关键步骤：样品制备、过电流测试、电流通过测试、结构表征和有限元模拟。

首先，样品制备。 研究采用了类压接式单IGBT模块样品。所使用的IGBT芯片规格为13.5 × 13.5 × 0.5 mm³。芯片贴装材料研究了两种：Sn-3.5Ag焊料和烧结Ag纳米颗粒。顶部插入材料则研究了多种：Mo（钼）垫片（作为无TSI材料的对照组）、Cu（铜）、Sn-3.5Ag、Al（铝）和Ag（银）箔。样品制备过程根据DA材料不同而有所区别：对于Sn-3.5Ag焊料，采用印刷焊膏和再回流工艺；对于烧结Ag，则通过刷镀在DBC（直接覆铜）基板上形成Ag涂层，并使用Ag纳米颗粒预成型片在高温高压下烧结成型。所有样品在装配后，都通过一个带有弹簧加载螺栓的测试框架施加2 MPa的平均压力，以模拟压接接触。

其次，过电流测试。 这是诱发IGBT热过载失效的关键步骤。测试使用了一个由9个6.8 mF电容并联组成的电容组，充电至156V（能量750 J），模拟实际工业应用中的故障能量水平。测试时，触发IGBT导通，使其在短路状态下承受巨大的浪涌电流，迅速导致热过载而损毁。测试中记录了电流和电压波形。一个重要发现是，所有使用不同材料组合的样品在经过750 J能量的过电流测试后，都表现出了短路失效模式，其残余电压接近于零。峰值电流大小主要取决于TSI材料，其中Ag箔对应的峰值电流最高（10.33 kA），Sn-3.5Ag箔对应的最低（6.23 kA），这表明材料的反应活性和/或电阻率影响了放电过程。所有样品的饱和时间（失效前IGBT保持饱和导通的时间）非常接近（3.15–3.4 ms），说明材料对热积累的初始阶段影响不大。

第三，电流通过测试。 此步骤旨在评估过电流测试后形成的短路状态的稳定性。将失效后的样品连接至一个直流电源，施加50 A的恒定电流（这是单颗IGBT芯片在正常工作条件下的最大平均电流），持续监测其电压降并计算电阻，测试时间长达150小时。这是本研究评估“稳定”与否的核心实验。结果表明，材料组合对稳定性有决定性影响。对于采用Sn-3.5Ag焊料作为DA的样品：使用Mo或Cu作为TSI的样品，初始电阻虽低（约5 mΩ），但在测试过程中电阻持续上升，最终在几十小时内达到可测上限（200 mΩ），表现为不稳定的SCFM。而使用Sn-3.5Ag、Al或Ag箔作为TSI的样品，电阻在整个150小时测试期间都非常稳定。特别是Ag箔，其初始电阻最低（1.5 mΩ），且变化极小，表现出最佳的稳定SCFM。对于采用烧结Ag作为DA的样品，无论搭配Ag还是Sn-3.5Ag箔作为TSI，其短路状态均表现不稳定或稳定性很差（电阻初始值高、波动大）。

第四，结构表征。 在电流通过测试后，对样品进行切割、抛光，利用扫描电子显微镜和三维X射线计算机断层扫描进行微观结构分析。这是连接电学性能与物理机理的桥梁。分析发现，所有样品在IGBT芯片、DA层、TSI层和DBC的Cu层中都形成了一个或多个尺寸为1-7 mm的凹坑。在凹坑界面和壁上观察到了快速凝固的微观结构，包括嵌入在金属间化合物（IMC）基体中的Si碎片，以及Mo-Si、Cu-Si、Ag-Si、Al-Si等金属间化合物的枝晶和共晶结构。这些导电相（如金属间化合物中的金属相、残留的Ag、Al等）形成了贯穿失效IGBT的导电网络/通道。对于获得稳定SCFM的样品（如Sn-3.5Ag DA + Ag TSI），X射线CT图像显示有足量的高导电相穿过失效的IGBT，连接顶部的Mo垫片和底部的DBC铜层，且结构完整性好。而对于不稳定SCFM的样品（如Sn-3.5Ag DA + Mo TSI），其快速凝固结构破碎，有效的导电连接几乎丧失。对于使用烧结Ag作为DA的样品，穿过失效IGBT的高导电相数量非常少。

第五，有限元模拟。 为了从热力学角度解释微观结构的形成差异，研究使用ABAQUS软件对过电流测试过程进行了瞬态热模拟。模拟以实验记录的实际功耗作为热载荷，计算了三种代表性材料组合（案例A: Sn-3.5Ag DA + Ag TSI；案例B: 烧结Ag DA + Ag TSI；案例C: 烧结Ag DA + Sn-3.5Ag TSI）在DA和TSI层中形成的液相和气相的体积。模拟结果验证了过电流测试中确实会形成液相和气相。关键发现是：使用Sn-3.5Ag焊料作为DA的样品（案例A），其DA层中形成的液相体积显著大于使用烧结Ag作为DA的样品（案例B和C）。这为解释为何烧结Ag DA样品导电网络形成不佳提供了热力学依据：形成的熔融材料少，难以充分填充裂纹并形成良好的导电通道。

研究的主要结果及其逻辑关系清晰：过电流测试证明所有材料组合都能诱发SCFM；电流通过测试则筛选出能实现稳定SCFM的具体材料组合（Sn-3.5Ag DA 配合 Sn-3.5Ag、Al 或 Ag TSI，尤其是Ag TSI效果最佳）；结构表征揭示了稳定与不稳定SCFM样品在微观结构上的本质区别——是否存在足量且连接良好的导电网络；有限元模拟则从热学角度解释了为何某些DA材料（如烧结Ag）不利于形成大量液相，从而影响了导电网络的形成。这些结果层层递进，共同支撑了研究的结论。

本研究的结论明确而具体： 1. 当Mo垫片直接放在IGBT上时，通过Mo与熔融Si反应获得的SCFM是不稳定的。这对早期基于压接式晶闸管封装技术的PPIM所报告的SCFM提出了质疑，需要进一步实验验证。 2. 使用Cu箔作为TSI材料，获得的SCFM是不稳定的。使用烧结Ag作为DA，配合Ag或Sn-3.5Ag箔作为TSI，获得的SCFM也是不稳定或稳定性很差的。这些结果不支持先前ABB专利中关于使用烧结Ag作为DA和Cu作为TSI材料的推荐。 3. 使用Sn-3.5Ag焊料作为DA，配合Sn-3.5Ag、Al或Ag箔作为TSI，可以实现稳定的SCFM。其中Ag箔效果最佳，且实验表明，在0.5 mm厚的Si IGBT上使用一层25 μm厚的Ag箔就足以产生稳定的SCFM。这揭示了TSI材料的厚度无需像之前文献中建议的那样至少达到IGBT厚度的一半。 4. 有利于稳定SCFM的微观结构特征是：包含足量的高导电相以形成贯穿失效IGBT的导电网络/通道，同时顶部Mo垫片与失效IGBT或DBC铜层之间保持良好的对准。 5. 瞬态热模拟结果不仅验证了过电流测试中液相和气相的形成，还将稳定与不稳定SCFM与不同样品中形成的液相体积关联起来。

这项研究的科学与应用价值显著。科学价值在于首次通过系统的实验（特别是包含长期电流通过测试的稳定性评估）和微观机理分析，明确了实现IGBT稳定短路失效模式的关键互连材料组合及其微观形成机制，修正了先前文献中未经充分验证的材料推荐。应用价值极高，为设计新型、高可靠性、可能更具成本效益的IGBT功率模块提供了直接的材料选择和封装设计指导，尤其适用于对系统可用性和维护成本敏感的电网等领域。

本研究的亮点突出： 1. 研究方法的系统性：结合了电学性能测试（过电流+长期电流通过）、微观结构表征（SEM, EDX, 3D X-ray CT）和有限元热模拟，形成了一个完整的“性能-结构-机理”研究链条。 2. 稳定性评估的创新性：引入了长达150小时的电流通过测试作为评估SCFM“稳定性”的核心判据，这比仅进行过电流测试并观察瞬时失效模式更为严格和贴近实际应用需求。 3. 结论的明确性与颠覆性：明确指出了特定材料组合（Sn-3.5Ag DA + Ag TSI）的优势，并对现有商业技术中的部分材料推荐提出了基于实验数据的挑战，具有重要的工程指导意义。 4. 微观机理的深入揭示：通过先进的表征手段，直观展示了稳定与不稳定短路通道在微观结构上的根本差异，即导电网络的存在与完整性。

此外，研究中关于不同TSI材料对过电流峰值电流影响的观察、对极薄Ag箔（5 μm）导致结果重复性差的解释，以及对Al箔因表面氧化层导致接触电阻较高的分析，也都是具有参考价值的细节发现。这些内容共同构成了一份严谨、深入且具有重要工程意义的学术研究报告。