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絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一種復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，具有高輸入阻抗和低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)將高壓IGBT芯片規(guī)?；⒙?lián)，與續(xù)流二極管（Freewheeling Diode, FWD）芯片封裝成高壓大功率IGBT器件，再通過(guò)器件串聯(lián)，即可制造各類大容量電力電子裝備，因此大功率IGBT器件是大容量電力電子裝備的基礎(chǔ)核心器件。

隨著新能源發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車(chē)等新興產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，IGBT器件得到了前所未有的廣泛應(yīng)用。在所有的功率半導(dǎo)體器件使用中，IGBT器件占比高達(dá)42%，是目前使用頻率最高的功率半導(dǎo)體器件。

就高壓直流輸電領(lǐng)域而言，ABB公司指出，高壓直流輸電故障中75%以上為功率變換器故障。國(guó)內(nèi)換流閥運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)表明，換流閥年故障率為1.3次/年，其中84%的故障是換流閥元件故障。而封裝失效是IGBT器件主要失效模式之一，封裝可靠性已成為影響電力電子裝備及系統(tǒng)安全的重要因素。IGBT器件封裝退化監(jiān)測(cè)技術(shù)通過(guò)監(jiān)測(cè)封裝退化過(guò)程中特征參量變化以評(píng)估封裝退化程度，是實(shí)現(xiàn)器件狀態(tài)評(píng)估、故障預(yù)測(cè)及智能運(yùn)維的關(guān)鍵。

大功率IGBT器件有焊接與壓接兩種封裝形式。焊接型IGBT器件通過(guò)鍵合線使內(nèi)部芯片與外部電極形成電氣連接，其生產(chǎn)成本較低，是目前應(yīng)用最廣泛的IGBT器件，但因其存在功率密度不足、焊料層脫落、鍵合線斷裂、單面散熱等問(wèn)題，難以滿足高功率等級(jí)的需求。壓接型IGBT（Press Pack-Insulated Gate Bipolar Transistor, PP-IGBT）器件通過(guò)施加壓力，使內(nèi)部芯片與外部電極形成電氣連接，可實(shí)現(xiàn)多芯片并聯(lián)壓接封裝。相比焊接型IGBT器件，壓接型IGBT器件易于規(guī)模化芯片并聯(lián)封裝、串聯(lián)使用，且具有低熱阻、雙面散熱、失效短路等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 壓接型IGBT器件封裝類型

以我國(guó)正在建設(shè)的張北柔性直流輸電工程為例，按4500V/3000A壓接型IGBT器件計(jì)算，整個(gè)工程器件使用數(shù)量高達(dá)4萬(wàn)支以上，若因IGBT器件故障導(dǎo)致柔性直流換流站停運(yùn)一天，經(jīng)濟(jì)損失將高達(dá)千萬(wàn)元，而實(shí)現(xiàn)壓接型IGBT器件封裝退化監(jiān)測(cè)可有效地評(píng)估封裝退化程度，科學(xué)指導(dǎo)運(yùn)維方案并及時(shí)更換高劣化器件，有利于規(guī)避潛在故障風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行至關(guān)重要。

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有大功率IGBT器件封裝退化監(jiān)測(cè)方法研究的對(duì)象多為焊接型IGBT器件，如河北工業(yè)大學(xué)王希平等的綜述性文獻(xiàn)及美國(guó)馬里蘭大學(xué)H. Oh等的綜述性文獻(xiàn)，而對(duì)壓接型IGBT器件研究較少。

重慶大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)壓接型IGBT器件，結(jié)合最新研究成果，綜述壓接型IGBT器件封裝退化監(jiān)測(cè)方法。首先，詳細(xì)介紹剛性壓接、彈性壓接兩種主要的壓接型IGBT器件封裝結(jié)構(gòu)，以及納米銀燒結(jié)壓接、混合壓接兩種近年提出的新型封裝結(jié)構(gòu)。然后，基于壓接型IGBT器件微動(dòng)磨損失效、柵氧化層失效、接觸面微燒蝕失效、邊界翹曲失效、彈簧失效、短路失效、開(kāi)路失效共七種封裝失效模式的失效機(jī)理，分析各失效模式對(duì)應(yīng)的封裝退化監(jiān)測(cè)方法。

研究人員針對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法存在的問(wèn)題，展望壓接型IGBT器件封裝退化監(jiān)測(cè)新思路，提出未來(lái)研究重點(diǎn)將聚焦于封裝退化評(píng)估及表征、非接觸式監(jiān)測(cè)、高靈敏度監(jiān)測(cè)三方面。

1）壓接多芯片IGBT器件內(nèi)部參量分布監(jiān)測(cè)：端部參量不能有效反映器件內(nèi)部參量的分布情況，而器件內(nèi)部壓力、溫度、電流分布特征是封裝退化的重要表征，如何監(jiān)測(cè)壓接多芯片器件內(nèi)部參量分布將是未來(lái)研究重點(diǎn)。

2）壓接多芯片IGBT器件封裝退化表征：特征參量與封裝退化的關(guān)聯(lián)機(jī)制是封裝退化監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵，目前對(duì)壓接多芯片IGBT器件封裝失效機(jī)制認(rèn)知有限，如何模擬封裝失效演化全過(guò)程，分析特征參量與封裝失效模式間的靈敏度關(guān)系，揭示特征參量與封裝退化的關(guān)聯(lián)機(jī)制將是未來(lái)研究重點(diǎn)。

3）非接觸式封裝退化監(jiān)測(cè)方法：現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法主要通過(guò)采集器件端部參量或測(cè)量?jī)?nèi)部參量分布的方式實(shí)現(xiàn)封裝退化監(jiān)測(cè)，存在冗雜的附加設(shè)備與侵入式設(shè)備，而基于電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)等物理場(chǎng)的非接觸式監(jiān)測(cè)方法附加設(shè)備少，便于實(shí)現(xiàn)在線評(píng)估，將是未來(lái)研究熱點(diǎn)。

4）高靈敏度封裝退化監(jiān)測(cè)方法：目前常用的基于端部參量和熱參量的監(jiān)測(cè)方法對(duì)多芯片器件封裝退化中早期靈敏度不佳，頻率響應(yīng)、脈沖響應(yīng)、擴(kuò)頻時(shí)域反射等方法具有高靈敏度，但尚未能實(shí)現(xiàn)在線測(cè)評(píng)，如何實(shí)現(xiàn)高靈敏度封裝退化監(jiān)測(cè)將是未來(lái)研究重點(diǎn)。

本文編自2021年第12期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“壓接型IGBT器件封裝退化監(jiān)測(cè)方法綜述”，作者為李輝、劉人寬 等。