高压大功率压接型 IGBT 器件结合了 IGBT 和GTO 两者的优点，具有功率密度大、寄生电感低、双面散热、失落效短路等特点，非常适宜于柔性直流输电等高压大容量换流装备。压接型 IGBT 器件的封装形式来源于 GTO 的“Hockey Puck”封装构造。1992 年，ABB 将 GTO 压接封装观点引入到 IGBT、MCT 等芯片的封装；1993 年，Fuji 也提出了µ-stack 压接封装的观点[8]，随后 Toshiba、Westcode等公司对压接封装构造也进行了广泛的研究。同时，日本山梨大学、意大利帕尔马大学，开姆尼茨工业大学等也对压接型 IGBT器件封装关键技能展开了干系研究。目前，国际上商业化的压接型 IGBT 器件紧张有 ABB 的 StakPak系列、Toshiba 的 IEGT 系列、Westcode 的 Press PackIGBT 系列，3 种系列器件的最高电压电流等级都已经达到 4.5kV/3kA。海内进行压接型 IGBT 器件研发的紧张有中车株洲时期电气、环球能源互联网研究院及华北电力大学等。
由于海内研制高压大功率压接型 IGBT 器件起步较晚，在封装理论与技能方面根本薄弱，目前海内尚未完备节制压接型 IGBT 器件的封装技能，很多关键技能仍旧节制在国外少数大型半导系统编制造企业手中。随着新能源的深度开拓及柔性直流输电技能的广泛运用，新一代电力电子电力系统对大功率压接型 IGBT 器件的需求将会越来越多。因此，研制国产高压大功率压接型 IGBT 器件对付提高我国新能源利用比例和电网稳定性，降落输电本钱具有主要意义。
本文以压接型 IGBT 封装技能为核心，基于现有公开的专利、文献等资料，总结剖析 ABB、Fuji、Toshiba、Westcode 4 个器件制造商早期研发压接型IGBT 器件时所碰着封装方面的问题及其办理方案。随后，基于封装技能的特点，提出将高压大功率压接型 IGBT 器件封装过程中的紧张问题分为 3大部分，并提出须要进行深入研究的方向。末了，提出一种比拟压接型 IGBT 器件性能的判据，基于此判据比拟现有的商业化压接型 IGBT 器件，为后续器件的研发供应相应的参考。
1 压接型 IGBT 封装技能的发展
1.1 ABB—StakPak IGBT Module
20 世纪 90 年代，随着芯片尺寸增加，芯片良率降落。为提高芯片的利用率，ABB 公司的 JensGobrecht 等人于 1992 岁首年月次提出采取多个小芯片并联替代整晶圆的压接封装构造[7]，并指出这种封装构造可用于 IGBT、GTO、MCT、MOSFET 等半导体芯片。封装基本构造如图 1 所示，个中 a 和 b分别指的是 2 种不同的半导体芯片，一种用于正引导通，一种用于反引导通。
上述封装构造参考了 GTO 的封装形式，是一种刚性压接的封装方案如图 2 所示。但存在的问题是，当各个岔路支路高度不一致时，将导致芯片表面机器压力不一致，并破坏芯片。因此，在 1996 年，Kurt Faller 等人在此根本上提出了弹性压接的观点。弹性封装构造降落了对器件表面平行度的哀求，同时也降落了对芯片、零部件等的厚度同等性哀求。同时，为了提升器件的长期失落效短路能力，Thomas Lang 等人提出在芯片的集电极或者发射极额外增加一个金属层，如 Ag 或者 Al，如图 3 所示。这层金属可与 Si 半导体芯片形成共晶化合物，形成导电通道。但是，上述金属层的引入增加了器件的热–机器疲倦问题。因此，Satish Gunturi 等人提出，将外加金属层的材料换为金属基复合股料，从而一方面增加了器件的机器强度，同时增加了抗蠕变性，提升了模块的整体可靠性。
2001 年，ABB 公司推出适宜电力系统用5.2kV/2kA 的大功率压接型 IGBT 器件，这种器件采取了柔性压接的观点，解耦了芯片上的机器压力与施加在全体器件上的外部机器压力；具有易于串联，适宜于冗余设计、失落效短路及防爆等特点。随后，通过优化芯片与封装构造，ABB 公司进一步提升了器件的正常开关安全事情区、短路安全事情区以及长期运行可靠性，目前 ABB 公司的StakPak IGBT Modules 系列的压接型 IGBT 器件已经广泛运用于柔性直流输电工程。只管 ABB 公司的 StakPak 压接型 IGBT 器件运用广泛，但直到现在，有关 StakPak 压接型 IGBT器件内部的应力分布、电飘泊布、绝缘特性等干系的详细研究，仍未见到公开的文献宣布。
1.2 Fuji—Flat-packaged IGBT
1993 年，Fuji 公司的 Hisao Shigekane 等学者结合了 GTO 无键合线、热阻低、可靠性高以及 IGBT电压型驱动、宽安全事情区等优点，提出了μ-stack的观点，μ-stack 的构造如图 4 所示。最早的μ-stack IGBT 模块只有一个金属凸台压在芯片的发射极上，实现电气连接。
1994 年，Fuji 推出基于单个芯片封装的 μ-stack压接型 IGBT 器件，器件的尺寸是 35×37×8mm3，单个芯片为正方形，边长为 20mm。Fuji 对发射极凸台构造进行了改进，IGBT 芯片与发射极凸台压接的区域，没有形成 IGBT 的元胞，保护了栅极的同时，捐躯了芯片的利用率，如图 5 所示。
1995 年的欧洲电力电子年会上(EPE’95)，Fuji 推出了 2.5kV/1000A 的 RC-IGBT 器件。器件内包括 9 个 IGBT 芯片加 3 个 FWD 芯片，12 个芯片所在岔路支路的高度(芯片、钼片、铜凸台电极等厚度之和)公差严格掌握在 5μm 以内，从而担保芯片表面的机器压力同等性。封装形状采取了方形构造设计方案，提高了器件的功率密度。
1997 年，Fuji 公司在原有的根本上，推出了更大电流等级的 2.5kV/1800A 压接型 IGBT 器件，芯片的尺寸进一步扩大到 27.5×27.5mm2 。同时，封装构造和芯片设计也做了相应的改进：1）对 IGBT芯片的压接技能进行了改进，发射极凸台与芯片不再是部分打仗，而是整体压接，同时担保 MOS 沟道不受机器压力的影响；2）将集电极的单个钼片分成多个小的钼片，改进了芯片边缘处的机器压力，如图 6 所示；3）芯片与发射极钼片打仗的边缘区域为压力缓冲区域，这些区域占全体芯片有源区的 3%，在这些区域不形成元胞，从而避免局部压力过大对芯片机器和电气特性的影响。
2000 年，Fuji 公司首次提出 4.5kV/2000A 高压大电流压接型 IGBT 器件，这些器件具有更高的阻断电压、高可靠性、防爆以及易于串联等特点。但是，从 2001 年往后，少有公开文献对 Fuji 公司Flat-packaged IGBT 器件的封装构造、芯片设计及其电气特性等方面进行宣布。
1.3 Toshiba—Silicon N-channel IEGT
基于晶闸管封装技能路线，Toshiba 公司日吉道明等人于1994年开展了压接型IGBT器件的干系研究，并于 1995 年在欧洲电力电子年会上(EPE’95)首次推出了 2.5kV/1000A 的压接型 IGBT器件。Toshiba 的封装构造特点是：器件形状采取圆形管壳；IGBT 芯片构造如图 7 所示，这样的构造保护了芯片栅极免于机器压力的损伤。
1997 年，Hideo Matsuda 等学者在剖析芯片与钼片的厚度分散性对压力分布的影响时，创造图 8(a)所示的凹槽发射极构造相对付图 8(b)所示的平面发射极构造可以更好地接管这种高度的差异性。根据仿真剖析结果，提出只要各个芯片所在岔路支路总厚度的差异性在 20µm 以内，就能知足机器压力的同等性哀求。
1998 年，Hironobu Kon 等人推出 4.5kV/750A的平面栅压接 IEGT 器件，这在当时是最高电压等级的压接型 IGBT 器件，且这种芯片具有更低的通态压降和更高的耐压等级。但是，IEGT 增加了栅极面积，从而引起了栅极负电容效应[37]，从而引起关断电流的振荡。研究表明，通过增加电阻 RG1和 RG2，同时减小寄生电感 LG1 和 LG2，并通过改变器件内部的驱动 PCB 板，可以达到抑制了关断电流振荡的目的，如图 9 所示。
凸台与芯片的直接压接导致 IEGT 芯片边缘局部机器压力过大。如图 10 所示，在凸台边缘处，当倒角半径 W=0 时，边缘处的芯片机器压力非常大，随意马虎对芯片造成机器损伤，同时降落了器件的电气性能。为了降落芯片边缘机器应力，Toshiba公司的 Ichiro Omura 等人于 2003 年对发射极金属凸台的构造进行了优化设计，通过在凸台边缘切出一个棱角，办理了芯片边缘应力过于集中的问题，同时提高了器件在强机器压力下的关断能力。
此后，Toshiba 公司很少有关于压接型 IEGT 器件内部封装构造设计与优化的文献宣布，更多的研究成果是关于芯片优化与器件运用方面的。
1.4 Westcode Press Pack IGBT
Westcode 公司最早关于压接型 IGBT 器件的研究是在 1998 年[41]，采取了一个塑料框架，将所有的芯片都置于一个框架内，如图 11 所示。这种封装构造与其他封装构造的差异在于：全体 IGBT 器件中，没有键合线或者连接引线，集电极和发射极直接通过机器压接办法实现与外电路的电气连接，栅极也通过弹簧顶针将IGBT的栅极与覆铜PCB 板连接，再通过覆铜 PCB 板连接到外部驱动回路。芯片栅极回路的电阻嵌在弹簧顶针上，从而可以做到每个芯片对应于一个栅极电阻。
这种封装构造工艺繁芜，且由于钼板和铜的热膨胀系数不一样，导致芯片与凸台之间随意马虎产生相对位移。因此，Westcode 公司在 2002 年提出第二代封装构造，如图 12 所示。这种封装采取与 Fuji公司器件相类似的构造，即每个芯片对应一个集电极钼片。此外，这种封装构造可让每个芯片先装成子模组，然后进行子模组测试。将测试后的子模组进行筛选，选择得当的子模组进行组合后再整体封装，从而提高了器件的整体开关性能。同时，这种封装构造可以非常便捷地将失落效的芯片更换掉。
多个芯片并联时，芯片电飘泊布的同等性越好，器件的安全事情区越大。但多个芯片并联时，由于凸台与栅极度子的间隔不同，导致每个芯片所在岔路支路的驱动回路杂散电感不一致，从而随意马虎引起芯片在关断过程中电飘泊布不一致，乃至振荡征象。为此，Westcode 公司在 2013 年提出第三代封装技能，提出采取双顶针构造，如图 13 所示。
对付双层 PCB 板和双顶针构造，一个用于栅极旗子暗记的输入，一个用于栅极旗子暗记的输出，将栅极回路的电流与主回路电流隔离开来，如图 14 所示。同时，在每个芯片的发射极增加一个发射极电阻，从而可以提高并联芯片的关断同等性。
1.5 现有商业化大功率压接型 IGBT 器件特性比拟
目前，在市场上的大功率压接型 IGBT 器件紧张有 ABB 公司的 StakPak IGBT Modules 系列,Toshiba 公司的 Silicon N-channel IEGT 系列及Westcode 的 Press-Pack IGBT Capsules 系列，3 种系列器件的最高电压电流等级达到 4.5kV/3kA。
图 15 所示为 StakPak IGBT Module 3kA 电流等级的器件，该器件内部共包括 6 个子模组，每个子模组由 8 个 IGBT 芯片和 4 个续流二极管芯片并联组成，器件内部共 48 个 IGBT 芯片和 24 个续流二极管芯片。
Toshiba 公司的 Silicon N-channel IEGT 器件内部构造如图 16 所示，该器件内部没有续流二极管，只有 42 个 IEGT 芯片，单个芯片的电流约为 71.4A。
Westcode 公司也于近期推出了 4.5kV/3kA 的Press Pack IGBT 器件。同样须要指出的是，PressPack IGBT 器件内部只有 IGBT 芯片，没有续流二极管芯片。
根据 3 个厂家公开的专利、文献及数据手册，可从封装的角度对器件的性能做干系的比拟，比拟的雷达图如图 17 所示。个中，从封装工艺繁芜度来说，ABB 的 StakPak 器件须要将焊接与压接相互结合，同时还须要灌胶以提升防污及电气绝缘能力；Westcode 公司的 Press Pack IGBT 及 Toshiba 公司的 IEGT 虽然不须要这么繁芜的内部构造，但是须要对每个芯片、钼片及金属凸台的高度进行风雅地匹配，从而合理掌握芯片表面的机器压力，因此也具有很高的工艺难度。
此外，由数据手册可知，StakPak 器件虽然须要更大的安装压力，但是更大的安装压力意味着串联器件之间的摩擦力越大，从而更有利于大量器件的串联运用。同时，该器件具有更好的散热能力，以及失落效短路承受能力。末了，StakPak 器件最为突出的上风在于对散热器的平面度及平行度哀求较低，从而具有易于串联的特点，可以非常随意马虎地实现多个器件的串联利用，尤其适宜于电力系统换流阀以及断路器等运用处所。
2 压接型 IGBT 封装技能难点与研究现状
基于压接型 IGBT 器件封装技能特点，结合压接型 IGBT 器件研制过程中碰着的技能与工艺问题，本文提出将压接型 IGBT 器件封装技能问题分为 3 个部分。第 1 部分为芯片机器压力干系问题，这部分紧张办理器件能用的问题；第 2 部分为器件绝缘特性与多芯片并联均流的问题，这部分紧张是提升器件的性能；第 3 个部分是多物理量相互浸染机制的问题，这部分紧张关系到器件长期可靠性。
2.1 芯片机器压力问题
2.1.1 并联芯片机器压力分布特点
压接封装形式的特点决定了芯片须要承受一定的机器压力；压力分布均匀是芯片正常事情的紧张条件。芯片表面的压力分布均匀紧张表现在以下方面：1）单个芯片表面压力分布均匀；2）并联芯片表面压力分布同等。如图 18 所示为封装工艺导致芯片压力不屈均的 2 种情形。图 18(a)为单个芯片或者钼片厚度不屈均时，导致单个芯片所受机器压力分布不屈均。图 18(b)为多个并联的芯片岔路支路，当各个岔路支路之间存在高度差时，引起并联芯片之间的压力分布不屈均。
图 19 为采取压力纸丈量器件内部各个芯片表面机器压力分布的测试情形。图 19(a)为压接型IGBT 器件管壳，16 个金属凸台，对应 16 个芯片。
在图 19(b)中，对付 A1 和 A2 芯片岔路支路，由于单个芯片或者钼片自身的厚度不屈均，导致芯片承受的机器压力分布极不屈均。对付 B1 和 B2 芯片岔路支路，B1 岔路支路的高度大于 B2 岔路支路，B1 承受更大的机器压力，因此压力纸 B1 表面的颜色明显深于 B2。常日情形下，芯片表面机器压力分布不屈均将导致芯片局部压力过大，芯片表面产生裂纹，终极使得芯片失落效，如图 19(c)所示。
除了掌握厚度公差，芯片在实际封装和运用过程中，还存在其他方面的机器应力问题。文献[21]剖析了并联芯片岔路支路高度同等的条件下，封装构造本身特色导致的芯片边缘应力集中的问题，提出了优化芯片布局办法来改进机器应力分布特性的思路，对付封装构造优化设计具有主要参考代价。文献[45]提出了集电极钼片及发射极凸台局部构造优化的方案，提升了芯片表面机器压力的同等性。文献[14,46]剖析了压装夹具以及器件在压装过程中并联芯片的机器压力分布规律，提出了封装管壳优化方法。
2.1.2 机器压力对电气特性的影响
机器压力对芯片电气参数具有一定的影响，并联芯片之间的机器压力差异性，将直接影响到并联芯片的开关特性。本文以压力对静态饱和压降以及动态关断损耗为例进行解释。
图20 为机器压力对单芯片电气参数影响的测试结果。图 20(a)、(b)为 5 个 IGBT 芯片在不同压力条件下，通态压降和关断损耗的变革规律；图 20(c)、(d)为 5 个二极管芯片在不同压力条件下，正引导通压降和反向规复损耗的变革规律；图中的纵坐标都进行了归一化处理。
试验结果表明，随着机器压力的增加，IGBT芯片的饱和压降逐渐降落；但是，IGBT 芯片的关断损耗随着压力的增加而增大。
对付二极管芯片而言，机器压力对反向规复损耗没有显著的影响。但是，二极管芯片的正引导通压降随着机器压力的增加，存在一个先减小再逐渐增大的过程。
Fuji 公司在开拓压接型 IGBT 时，研究了机器压力对 IGBT 芯片静态参数的影响特性；试验结果表明，芯片承受机器压力的大小对阈值电压没有明显的影响；但是，随着机器压力的增大，饱和压降逐渐减小。对此，文献[48]指出，机器压力的增大，减小了芯片与钼片之间的打仗电阻，从而使得IGBT 芯片饱和压降丈量值更小。
但是，本文的试验结果表明，打仗电阻不是影响芯片电气参数的唯一成分。如图 19(b)所示，机器压力越大，关断损耗越大，但是对二极管的反向规复损耗没有显著影响；图 19(c)表明，机器压力越大，二极管的正向压降并非单调减小，而是先减小后增加。
因此，除了须要考虑机器压力对打仗电阻的影响以外，还须要考虑半导体材料本身的压阻效应。以是，针对多个芯片并联的压接型 IGBT 器件，须要根据实际的芯片参数及其运用工况，选取得当的机器压力，使得并联芯片的电气应力更加均匀，器件的损耗尽可能降落。
综上剖析，对付压接型 IGBT 器件，关于机器压力仍旧须要进行深入研究的问题有：1）合理设计凸台、钼片等尺寸及其构造形状，使得芯片表面的机器压力合理分布，防止栅极、钝化层等区域的机器破坏；2）选择得当的机器压力，从而在器件损耗、热阻、芯片表面机器压力大小之间选取一个折中的值，终极提高器件的整体性能。
2.2 高压绝缘与电飘泊布特性
2.2.1 封装绝缘特性
压接型 IGBT 器件有 2 种绝缘办法。以 ABB公司StakPak IGBT Modules为代表的封装绝缘与焊接模块封装绝缘相似，都须要考虑硅凝胶的绝缘水平。以 Toshiba 公司的 IEGT 及 Westcode 公司的 Press Pack IGBT 为代表的器件，其封装绝缘与焊接模块绝缘存在较大差异。以Westcode公司的Press Pack IGBT 为例，封装绝缘构造中的绝缘材料是聚醚醚酮(Polyetheretherketone，PEEK)和绝缘气体(如N2 气体和 SF6 气体)。常日情形下，气体的绝缘强度远低于硅胶，从而导致压接型 IGBT 器件封装绝缘的问题更加突出。
关于压接型 IGBT 器件的封装绝缘问题，文献仿真剖析了 4.5kV 电压等级压接型 IGBT 器件中添补气体类型、气体压强以及封装构造件对器件静态耐电强度的影响，但文中没有给出试验结果。文献探索了液体绝缘替代气体绝缘的可行性，虽然器件绝缘水平得到了提高，但是对付器件其他方面的影响未做评估。文献[54]建立了直流电压下的三维电场打算模型，采取 FEM 打算方法剖析了器件内部局部电场过高的区域，对随意马虎放电的位置进行了定位，如图 21 所示。由图可知，器件内部局部电场较大的区域紧张集中在芯片终端以及银片尖角的位置。
本文在上述对器件内部电场剖析的根本上，结合半导体芯片实际承受电压的情形，基于有限元仿真，进一步剖析了 IGBT 芯片终端表面电场强度分布规律，如图 22 所示。
图 22(a)为仿照芯片在实际运用工况下承受电压情形建立的电场仿真模型：将芯片放置在金属集电极上，集电极与金属电极打仗；芯片集射极之间施加给定的电压值。通过二维电场仿真剖析，得到芯片电场强度分布如图 22(b)所示；同时，得到芯片表面电场强度如图 22(c)所示。由仿真结果可知，在芯片发射极有源区与钝化层交界处，电场强度最大，此处也最随意马虎产生电场击穿。
基于仿真剖析结果，本文对芯片终真个放电情形进行了测试。图 23(a)为在 IGBT 的集电极与发射极之间施加高电压时的测试结果。由图可知，当集射极电压超过一定值，芯片终端表面的局部电场强度过大，在终端表面造成了空气击穿，形成了沿面放电。图 23(b)为芯片组装成子模组后，测试过程中过压击穿的情形，过压击穿的位置也在芯片的终端区域。试验结果验证了仿真剖析的精确性。
值得把稳的是，试验过程中，子模组击穿所须要的电压要低于芯片终端沿面击穿所须要的电压，这也是须要进一步深入研究的问题，即封装构造对芯片表面电场强度的影响规律。因此，在芯片设计过程中，除了须要合理设计芯片终端构造以外，同时也须要合理设计子模组封装构造，从而防止子模组的局部电场强度过大，造成器件击穿。
2.2.2 多芯片并联均流
大功率 IGBT 器件由多个芯片并联，在实际运用过程中，由于多种成分的影响，并联芯片在开关过程中的电流分配不屈衡。对付焊接 IGBT 模块，已有的研究结果表明，影响并联芯片电飘泊布不一致的紧张有如下 3 点：
1）芯片参数差异性。芯片参数差异性将会导致电飘泊布不屈均，详细参数包括阈值电压、通态压降以及栅极内电阻等。
2）封装寄生参数差异性。并联芯片所在回路寄生电感不一致，将会导致芯片的瞬态电飘泊布存在较大的差别。
3）散热不屈均。散热不屈均导致并联芯片结温不一致。结温影响芯片通态压降等参数，对付NPT 型芯片来说，通态压降的负温度系数这有利于并联多芯片电飘泊布同等；对付 PT 型芯片来说，通态压降的正温度系数则随意马虎引起热失落控，终极导致器件失落效。
相对付焊接型 IGBT 器件，压接型 IGBT 器件除了须要考虑以上 3 个影响成分以外，还须要考虑机器压力对并联芯片电飘泊布特性的影响。但是，现有公开拓表的文献表明，压接型 IGBT 器件内部多芯片并联均流特性的研究尚不充分。文献[58]基于低廉甜头的微型罗氏线圈，丈量了压接型 IGBT 器件内部并联芯片的开关瞬态电流，证明了并联芯片瞬态电流分配不屈衡的特点。文献[59]基于低廉甜头的微型罗氏线圈，丈量了器件内并联 IGBT 芯片的电飘泊布非常同等；但须要指出的是，由于探头带宽只有 250kHz，开关瞬态过程中的电流不一致性难以丈量得到。此外，文献[60]针对 ABB 公司的 StakPak IGBT 器件，研究了趋肤效应以及临近效应共同浸染下，封装寄生电感与功率回路寄生电感对并联IGBT 芯片开关瞬态电飘泊布特性的影响。文献[20,61-63]针对 Westcode 公司的 Press Pack IGBT器件，提取了封装寄生电感矩阵，研究了封装寄生电感对并联芯片开关瞬态电飘泊布特性的影响。
为了进一步认识各个影响成分对压接型 IGBT并联芯片开关瞬态电飘泊布特性的影响规律，本文进行了初步的试验研究。本文在相同的温度、机器压力和芯片参数条件下，丈量了封装寄生参数对瞬态电飘泊布不屈均性的影响程度，如图 24 所示。
图 24(a)为 3 个经由静态参数筛选后的 IGBT 芯片，各个芯片之间的阈值电压、通态压降差值都在0.1V 以内，芯片分别标记为芯片 1、芯片 2、芯片3。在常温条件下，保持各个芯片表面机器压力同等，管壳方向、探头位置及测试条件不变。比拟芯片在不同位置情形下的电飘泊布特性，即顺时针调动 3 颗芯片的位置。基于双脉冲测试方法，丈量得到 3 颗并联 IGBT 芯片的关断电流波形如图 25 所示，个中电流探头为 PEM Ultra-Mini 罗氏线圈，带宽为 30MHz。
由测试结果可知，芯片布局在不同的位置，关断瞬态电流存在明显的差异性。比拟图 25(a)和图 25(b)可知，不论是芯片 1，还是芯片 2，只要芯片的位置处于图 20 所示管壳的右下角，关断瞬态过程中的电流都大于均匀值。同样，不论是芯片 2，还是芯片 3，当芯片处在左下角位置时，关断瞬态的电流都小于均匀值。因此，封装寄生参数对付关断瞬态电流的分布具有明显的影响。而须要指出的是，封装寄生参数同时包括功率回路封装寄生参数和驱动回路的封装寄生参数。因此，如果要量化封装寄生参数对瞬态电飘泊布特性的影响，还须要通过准确的打算或者丈量方法，来得到封装寄生参数的值。
上述试验只是丈量了 3 个 IGBT 芯片并联的环境，关断瞬态过程中电流的差别达到 30A(额定电流60A)。对付有多颗 IGBT 芯片并联的器件，如果在关断过程中，电流往个别芯片集中，将会导致该芯片电流过大，使得芯片击穿。图 26 为芯片过电流击穿的环境。在关断瞬态过程中，由于电流过大，形成局部热点，导致芯片关断击穿失落效。以是，改进器件内部并联芯片之间的电飘泊布特性，对付提高器件的电流等级及器件安全事情区具有主要的意义。
综合上述对高压绝缘与并联均流的剖析，对付压接型 IGBT 器件，在高压绝缘方面，仍旧须要进行深入研究的问题有：
1）IGBT 器件内部电场准确打算方法，节制器件内部电场分布规律；
2）封装绝缘材料在不同电压、温度等工况下的介电特性、电阻特性及放电特性等。同时，在多芯片并联均流方面，仍旧须要进行深入研究的问题有：
1）器件封装寄生参数提取方法；
2）芯片参数、寄生参数、压力、温度等多物理量同时浸染下的多芯片开关瞬态电飘泊布同等性等。通过研究器件高压绝缘与多芯片并联均流等方面的关键技能，提高器件的绝缘能力及开关安全事情区，终极提升器件的整体水平。
2.3 多物理量相互浸染机制的问题
压接型 IGBT 器件内，电流、温度及机器应力等多个物理量相互浸染，共同决定器件的长期可靠性，图 27 为各个物理量之间的关联关系。
1）电飘泊布影响芯片的功率损耗，从而影响芯片的结温；芯片结温影响芯片电气参数，从而影响并联芯片的电飘泊布。
2）芯片结温分布不一致，从而导致热膨胀不一致，终极导致芯片的机器应力分布不一致；而芯片机器应力影响打仗热阻，从而反过来影响芯片的结温。
3）电飘泊布不直接影响机器应力。芯片的机器压力将会改变芯片与其他金属垫片之间的打仗电阻，同时由于压阻效应，影响芯片的电气参数，因此机器应力将会对并联芯片的电飘泊布特性产生一定的影响。
目前，关于多物理量相互浸染的研究仍旧集中在单个方向的影响规律研究。文献基于简化的二维和三维有限元仿真模型，剖析了器件在压装过程以及功率循环过程中的芯片受力情形，指出器件潜在的破坏成分是由于热–机器疲倦或者微动磨损，这是最早关于压接型 IGBT 器件内部力、热相互浸染规律的研究。文献[14]建立了压接型 IGBT器件的全三维模型，剖析了器件表面受力均匀时，功率循环过程中并联芯片的温度分布和压力分布规律；研究结果对付空想压装情形下，器件内部的热、力耦合剖析具有辅导意义。文献[68]对上述三维仿真模型进行了优化，剖析了外部机器压力不屈均时，功率循环过程中器件内部的热、电气参数变革规律。这种模型外部受力情形更加靠近实际工况，但模型中电飘泊布的特点，仍旧是比较空想化的假设。文献[69]基于有限元仿真剖析、功率循环测试以及电镜剖析，得到器件的 2 种可能失落效模式为栅极氧化损伤以及微电弧损伤。此外，文献[70-72]针对单个芯片和全体 IGBT 器件，提出了单芯片和全体器件的热阻打算模型以及测试方法，对付建立更加准确的电、热、力耦合关系，剖析器件的长期运行可靠性具有主要意义。
对付大功率 IGBT 器件，常日采取仿真打算的方法研究多物理量的相互浸染机制，尚未有文献通过试验的方法来直接验证仿真打算结果的准确性。其难点在于，基于现有的测试手段，并联芯片的电飘泊布特性、结温分布特性、机器压力分布特性难以同时、准确地丈量得到。因此，对付压接型 IGBT器件来说，仍旧须要进一步深入研究的问题是，压接型 IGBT 器件封装中电流场、应力场和温度场之间的耦合机理及各个物理量之间的关联关系。通过理清多物理量之间的相互浸染机制，提出器件的多物理量协同优化方法，提高器件整体可靠性。
3 一种评价压接型 IGBT 器件的新方法
器件的性能须要结合实际运用工况来进行评估。从运用的角度来说，器件的散热、电气参数、机器特性等都是功率模块的主要成分。因此，本文从运用的角度出发，对器件性能的评估方法进行了磋商，并考试测验提出高压大功率压接型 IGBT 器件的优化方法。
3.1 现有压接型 IGBT 器件性能评价方法
20 世纪八九十年代，是半导体功率器件迅速发展的期间。为综合评估各种器件的性能，Ohmi 等学者于 1990 年对功率器件提出了品质成分(Figureof Merit)的观点，定义品质成分为
式中：VC 为额定电压；IC 为额定电流；Von 为通态电压；toff为关断韶光；S 为芯片面积。器件的电压等级越高、电流等级越大，FOM(O)的值越大；相反，器件的通态压降越大，关断拖尾韶光越长，FOM(O)的值越小。
但是，这种方法只是考虑了器件的电气性能，没有综合考虑器件的散热性能。因此，在品质成分FOM(O)的根本上，Fuji 公司的 Hisao Shigekane 等学者于 1993 年提出了一种综合考虑电气参数、热阻、封装杂散电感在内，用于评价压接型 IGBT 器件的品质成分，即
式中：Rth 为热阻；Ls 为封装寄生电感。由于压接型IGBT 器件具有双面散热及封装寄生电感小的特点，因此，压接型 IGBT 器件的 FOM(F)值比较于焊接 IGBT 模块要大得多，性能更加优秀。
现有评价方法，综合考虑了器件的电气、散热性能，从器件运用的角度，这些评价方法具有非常主要的参考意义。从器件封装的角度，除了须要提升器件的整体电气、散热性能，同时还须要考虑到芯片承受机器应力的情形。
3.2 压装行程与芯片受力同等性的关系
不同封装构造的器件，在运用过程中被压缩的行程有很大的差异。图 28 为 2 种范例的封装构造，图 28(a)为以 Westcode 公司 Press Pack IGBT 为代表刚性压接封装技能；图 28(b)为以 ABB 公司 StakPak IGBT Module 为代表的弹性压接封装技能。
对付刚性压接器件，撤除集电极、发射极两端金属电极的厚度，每个芯片岔路支路的总高度为
式中：HR指的是刚性(Rigid)压接办法下，单个芯片岔路支路的总高度；hCu 为铜凸台的高度；hMo_C 为集电极钼片厚度；hSi 为半导体硅片的厚度；hAg 为银片的厚度；hMo_E为发射极钼片的厚度。对付弹性压接器件，每个芯片岔路支路的总高度为
式中：HE 为弹性(Elastic)压接单个岔路支路的总高度；hs 为弹簧组件的高度；hAl_C 为发射极铝片厚度；hMo_E 为发射极钼片的厚度；hSi 为半导体硅片的厚度；hW为焊接层(Welding)的厚度。
对付刚性压接技能，器件在承受额定机器压力条件下的压缩行程为△HR。假设某个芯片岔路支路总高度比其他芯片岔路支路高δh，则该芯片承受的机器压力比较于其他芯片大：
式中 F 为芯片承受机器压力的均匀值。同样，对付弹性压接技能，器件在承受额定机器压力下的压缩行程为△HE。假设某个芯片岔路支路总高度比其他芯片岔路支路高δh，则该芯片承受的机器压力较其他芯片大：
由式(3)和(4)可知，若要并联芯片承受的机器压力同等，则须要δh 尽可能小，或者△HR和△HE尽可能大。由于受限于工艺掌握水平，要每个芯片岔路支路高度掌握到完备同等，即δh=0，难度非常大。因此，可以考虑通过增加器件压装行程来掌握芯片的压力同等性。
3.3 一种新的评价方法
本文提出将器件在运用过程中的压装行程作为评价指标之一，评估器件的整体性能。即，参考上述品质成分的定义，本文提出一种同时考虑压力行程、热阻、封装寄生电感等多种成分，用于比较不同封装构造的压接型 IGBT 器件，即
式中 D 为压接型 IGBT 器件在承受额定压力时，相对付不承受压力时，器件集电极和发射极之间被压缩的间隔。基于本定亲义的品质成分，对 2 种范例封装技能进行了评估。
ABB 公司的 StakPak 器件在承受额定压力条件下，其压力行程为 2750μm；同样情形下，Westcoe公司 Press Pack IGBT 及 Toshiba 公司 IEGT 的压力行程约为 100μm。由此可知，StakPak 器件，在承受芯片、金属垫片总厚度差异性方面，具有更大的接管范围。这种弹性压接封装形式对付器件、散热器以及安装夹具平面度和平行度的哀求，比较于刚性压接封装形式要更低，因此具有更高的品质成分。因此，在后续研发压接型 IGBT 器件的过程中，不仅仅要考虑热阻、封装寄生电感等传统考虑的成分。同时还须要考虑外部机器应力的行程，行程越大，意味着对芯片、金属垫片总厚度差异性哀求更低，从而极大地降落了对工艺的哀求，同时提高了器件的可靠性。
4 结论
高压大功率半导体封装技能是研制高电压、大电流、高可靠性压接型 IGBT 器件的关键环节。本文总结了现有压接型 IGBT 器件制造厂商的研发进展以及器件研制过程中碰着的工艺与技能问题。结合封装构造特点以及封装工艺需求，将高压大功率半导体封装关键技能分为 3 个部分，并提出了一种评估压接型 IGBT 器件性能的品质成分，为后续高压大功率压接型 IGBT 器件的研制供应参考。
来源：中国电机工程学报 第 39 卷 第 12 期
作者：唐新灵，张朋，陈中圆，李金元，温家良，潘艳 (环球能源互联网研究院有限公司)
