高压大功率压接型 IGBT 器件封装技术研究综述（下）

2.2.2 多芯片并联均流

大功率 IGBT 器件由多个芯片并联，在实际应用过程中，由于多种因素的影响，并联芯片在开关过程中的电流分配不均衡。对于焊接 IGBT 模块，已有的研究结果表明，影响并联芯片电流分布不一致的主要有如下 3 点：

1）芯片参数差异性。芯片参数差异性将会导致电流分布不均匀，具体参数包括阈值电压、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流分布存在较大的差别。

3）散热不均匀。散热不均匀导致并联芯片结温不一致。结温影响芯片通态压降等参数，对于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流分布一致；对于 PT 型芯片来说，通态压降的正温度系数则容易引起热失控，最终导致器件失效。

相对于焊接型 IGBT 器件，压接型 IGBT 器件除了需要考虑以上 3 个影响因素以外，还需要考虑机械压力对并联芯片电流分布特性的影响。但是，现有公开发表的文献表明，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]基于自制的微型罗氏线圈，测量了压接型 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均衡的特点。文献[59]基于自制的微型罗氏线圈，测量了器件内并联 IGBT 芯片的电流分布非常一致；但需要指出的是，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测量得到。此外，文献[60]针对 ABB 公司的 StakPak IGBT 器件，研究了趋肤效应以及邻近效应共同作用下，封装寄生电感与功率回路寄生电感对并联IGBT 芯片开关瞬态电流分布特性的影响。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流分布特性的影响。

为了进一步认识各个影响因素对压接型 IGBT并联芯片开关瞬态电流分布特性的影响规律，本文进行了初步的试验研究。本文在相同的温度、机械压力和芯片参数条件下，测量了封装寄生参数对瞬态电流分布不均匀性的影响程度，如图 24 所示。

图 24(a)为 3 个经过静态参数筛选后的 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械压力一致，管壳方向、探头位置及测试条件不变。对比芯片在不同位置情况下的电流分布特性，即顺时针调动 3 颗芯片的位置。基于双脉冲测试方法，测量得到 3 颗并联 IGBT 芯片的关断电流波形如图 25 所示，其中电流探头为 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。对比图 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平均值。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平均值。因此，封装寄生参数对于关断瞬态电流的分布具有明显的影响。而需要指出的是，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流分布特性的影响，还需要通过准确的计算或者测量方法，来获得封装寄生参数的值。

上述试验只是测量了 3 个 IGBT 芯片并联的情形，关断瞬态过程中电流的差别达到 30A(额定电流60A)。对于有多颗 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情形。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效。所以，改善器件内部并联芯片之间的电流分布特性，对于提高器件的电流等级及器件安全工作区具有重要的意义。

综合上述对高压绝缘与并联均流的分析，对于压接型 IGBT 器件，在高压绝缘方面，仍然需要进行深入研究的问题有：

1）IGBT 器件内部电场准确计算方法，掌握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，仍然需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作用下的多芯片开关瞬态电流分布一致性等。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术，提高器件的绝缘能力及开关安全工作区，最终提升器件的整体水平。

2.3 多物理量相互作用机制的问题

压接型 IGBT 器件内，电流、温度及机械应力等多个物理量相互作用，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）电流分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流分布。

2）芯片结温分布不一致，从而导致热膨胀不一致，最终导致芯片的机械应力分布不一致；而芯片机械应力影响接触热阻，从而反过来影响芯片的结温。

3）电流分布不直接影响机械应力。芯片的机械压力将会改变芯片与其他金属垫片之间的接触电阻，同时由于压阻效应，影响芯片的电气参数，因此机械应力将会对并联芯片的电流分布特性产生一定的影响。

目前，关于多物理量相互作用的研究仍然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，分析了器件在压装过程以及功率循环过程中的芯片受力情况，指出器件潜在的损坏因素是由于热–机械疲劳或者微动磨损，这是最早关于压接型 IGBT 器件内部力、热相互作用规律的研究。文献[14]建立了压接型 IGBT器件的全三维模型，分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；研究结果对于理想压装情况下，器件内部的热、力耦合分析具有指导意义。文献[68]对上述三维仿真模型进行了优化，分析了外部机械压力不均匀时，功率循环过程中器件内部的热、电气参数变化规律。这种模型外部受力情况更加接近实际工况，但模型中电流分布的特点，仍然是比较理想化的假设。文献[69]基于有限元仿真分析、功率循环测试以及电镜分析，获得器件的 2 种可能失效模式为栅极氧化损伤以及微电弧损伤。此外，文献[70-72]针对单个芯片和整个 IGBT 器件，提出了单芯片和整个器件的热阻计算模型以及测试方法，对于建立更加准确的电、热、力耦合关系，分析器件的长期运行可靠性具有重要意义。

对于大功率 IGBT 器件，通常采用仿真计算的方法研究多物理量的相互作用机制，尚未有文献通过试验的方法来直接验证仿真计算结果的准确性。其难点在于，基于现有的测试手段，并联芯片的电流分布特性、结温分布特性、机械压力分布特性难以同时、准确地测量得到。因此，对于压接型 IGBT器件来说，仍然需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作用机制，提出器件的多物理量协同优化措施，提高器件整体可靠性。

3 一种评价压接型 IGBT 器件的新方法

器件的性能需要结合实际应用工况来进行评估。从应用的角度来说，器件的散热、电气参数、机械特性等都是功率模块的重要因素。因此，本文从应用的角度出发，对器件性能的评估方法进行了探讨，并尝试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时期。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因素(Figureof Merit)的概念，定义品质因素为

式中：VC 为额定电压；IC 为额定电流；Von 为通态电压；toff为关断时间；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，关断拖尾时间越长，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，在品质因素FOM(O)的基础上，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 器件的品质因素，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)值相比于焊接 IGBT 模块要大得多，性能更加优良。

现有评价方法，综合考虑了器件的电气、散热性能，从器件应用的角度，这些评价方法具有非常重要的参考意义。从器件封装的角度，除了需要提升器件的整体电气、散热性能，同时还需要考虑到芯片承受机械应力的情况。

3.2 压装行程与芯片受力一致性的关系

不同封装结构的器件，在应用过程中被压缩的行程有很大的区别。图 28 为 2 种典型的封装结构，图 28(a)为以 Westcode 公司 Press Pack IGBT 为代表刚性压接封装技术；图 28(b)为以 ABB 公司 StakPak IGBT Module 为代表的弹性压接封装技术。

对于刚性压接器件，除去集电极、发射极两端金属电极的厚度，每个芯片支路的总高度为

式中：HR指的是刚性(Rigid)压接方式下，单个芯片支路的总高度；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。对于弹性压接器件，每个芯片支路的总高度为

式中：HE 为弹性(Elastic)压接单个支路的总高度；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。

对于刚性压接技术，器件在承受额定机械压力条件下的压缩行程为△HR。假设某个芯片支路总高度比其他芯片支路高δh，则该芯片承受的机械压力相比于其他芯片大：

式中 F 为芯片承受机械压力的平均值。同样，对于弹性压接技术，器件在承受额定机械压力下的压缩行程为△HE。假设某个芯片支路总高度比其他芯片支路高δh，则该芯片承受的机械压力较其他芯片大：

由式(3)和(4)可知，若要并联芯片承受的机械压力一致，则需要δh 尽可能小，或者△HR和△HE尽可能大。由于受限于工艺控制水平，要每个芯片支路高度控制到完全一致，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控制芯片的压力一致性。

3.3 一种新的评价方法

本文提出将器件在应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，参考上述品质因素的定义，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因素，用于比较不同封装结构的压接型 IGBT 器件，即

式中 D 为压接型 IGBT 器件在承受额定压力时，相对于不承受压力时，器件集电极和发射极之间被压缩的距离。基于本文定义的品质因素，对 2 种典型封装技术进行了评估。

ABB 公司的 StakPak 器件在承受额定压力条件下，其压力行程为 2750μm；同样情况下，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，具有更大的接受范围。这种弹性压接封装形式对于器件、散热器以及安装夹具平面度和平行度的要求，相比于刚性压接封装形式要更低，因此具有更高的品质因素。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因素。同时还需要考虑外部机械应力的行程，行程越大，意味着对芯片、金属垫片总厚度差异性要求更低，从而极大地降低了对工艺的要求，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术是研制高电压、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遇到的工艺与技术问题。结合封装结构特点以及封装工艺需求，将高压大功率半导体封装关键技术分为 3 个部分，并提出了一种评估压接型 IGBT 器件性能的品质因素，为后续高压大功率压接型 IGBT 器件的研制提供参考。

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 (全球能源互联网研究院有限公司)