为了降落模块异质材料间热膨胀系数的差异，提高其功率循环能力与长期运行可靠性，新型功率半导体器件国家重点实验室、株洲中车时期电气株式会社、株洲中车时期半导体有限公司的研究职员刘国友、罗海辉、张鸿鑫、王彦刚、潘昭海，在2020年第21期《电工技能学报》上撰文，提出功率模块采取全铜材料实线电学互连的思路。
作者系统地研究了IGBT芯片铜金属化、铜引线键合与铜母线端子超声焊接等新技能，实现了IGBT功率模块全铜化封装的成套工艺，研发了基于全铜工艺的大容量高性能750A/6500V IGBT模块，首次实现了全铜工艺的高压模块。
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是电气化轨道交通装备中卖力电能转换的核心部件，高压大容量IGBT模块长期运行可靠性对牵引变流器的安全运行至关主要。目前1500A/3300V、1200A/4500V和750A/6500V等级的高压大容量IGBT模块已经广泛运用在“复兴号”高铁、“和谐号”电力机车牵引变流器中。
随着轨道交通高速、重载技能的发展和电力电子装置绿色、智能哀求的不断提高，对大功率IGBT模块的性能与可靠性提出了越来越高的哀求，须要更高的功率密度、更高的事情温度、更高的运行可靠性来知足新一代牵引动力的运用需求。
传统半导体工艺基于铝金属化与互连工艺，相应的主流大功率IGBT模块大都是沿用铝工艺技能，如芯片表面铝金属化、芯片互连铝引线键合、功率端子与陶瓷衬板焊片焊接等。由于功率模块内部异质材料之间不可避免地存在热膨胀系数失落配，加上铝材料热膨胀系数较高，大功率模块内部因长期处于温度循环和功率循环的冲击而涌现焊点开裂、焊层退化征象，影响了模块长期运用的可靠性。
功率半导体封装技能的进步很大程度上来源于材料与制造工艺的发展。铜金属比铝具有更优秀的导电与导热性能，有良好的抗电迁移能力和可靠性，可以通过物理气相淀积（PVD）和电镀工艺实现沉积。
如果将铜作为一种新型电极材料替代IGBT正面铝金属电极，可以降落IGBT模块的功率损耗、提高模块功率循环能力，成为高性能IGBT的一种技能发展趋势。由于铜离子在芯片内部是一种有害杂质，以及工艺平台兼容性等问题，阻碍了铜工艺在IGBT等功率器件制造中的运用发展。
大功率IGBT模块封装的可靠性，很大程度上取决于芯片之间的引线互连工艺可靠性水平，由于引线材料及其键合点的可靠性直接决定了模块运用过程中的功率循环能力。采取铜引线取代传统的铝引线实现键合互连，相同线径的铜引线载流能力可以提高70%，是IGBT技能发展方向，尤其是在轨道交通、电力系统等高端运用领域。
要实现铜引线的互连，首先必须确保芯片表面的金属化电极是铜，因此芯片铜金属化是铜引线键合互连的根本。
新一代全铜工艺技能紧张包含芯片铜金属化、铜引线键合互连和模块铜功率端子超声焊接三部分技能。与封装构造相同的铝工艺模块比较，铜工艺模块紧张有两方面的改进内容：首先是在芯片表面成长厚铜层，不仅有利于降落芯片通态损耗、改进散热，同时还可以缓解铜引线键合过程中的冲击力，提高键合点的可靠性；其次，芯片之间的铜引线键合互连，可以降落模块寄生电阻损耗，减小键合引线自热效应的影响。
Infineon公司提出了包括IGBT芯片铜金属化、铜引线键合等新技能的.XT技能，通过运用在中低压模块，比拟解释了该技能可以在很大程度长进步模块的利用效率及寿命。
图1 750A/6 500V全铜IGBT模块封装工艺
图2 全铜工艺750A/6 500V IGBT模块SOA
在整合上述前辈工艺的根本上，并基于前辈的8in(lin=0.025 4m)IGBT高压芯片工艺平台，新型功率半导体器件国家重点实验室、株洲中车的研究职员研发了铜金属化IGBT/FRD（快规复二极管）芯片和铜引线键合工艺，这是一种包括芯片铜金属化、铜引线键合互连、铜端子超声焊接的全铜工艺高压大电流IGBT模块技能。
图3 750A/6 500V模块的功率循环测试
与传统铝工艺技能比较，铜工艺IGBT模块具有更低的通态损耗、更高抗浪涌电流能力和更长功率循环寿命。全铜工艺模块不仅使导通损耗降落了10%、浪涌电流能力提升了20％，而且功率循环能力提高了16倍，提升了功率模块的运行韧性与运用可靠性。
图4 模块HTGB/HTRB试验前后结果比较
在此根本上，他们首次研制出了基于全铜工艺的750A/6500V高性能IGBT模块，并将其性能、温度循环和功率循环能力提高到一个新的水平，并具有优秀的动/静态特性和高可靠性，知足了新一代牵引变流器的运用需求，有望推广到柔性直流输电等高端运用领域。
以上研究成果揭橥在2020年第21期《电工技能学报》，论文标题为“基于全铜工艺的750A/6500V高性能IGBT模块”，作者为刘国友、罗海辉、张鸿鑫、王彦刚、潘昭海。
