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絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是電氣化軌道交通裝備中負責電能轉換的核心部件，高壓大容量IGBT模塊長期運行可靠性對牽引變流器的安全運行至關重要。目前1500A/3300V、1200A/4500V和750A/6500V等級的高壓大容量IGBT模塊已經(jīng)廣泛應用在“復興號”高鐵、“和諧號”電力機車牽引變流器中。

隨著軌道交通高速、重載技術的發(fā)展和電力電子裝置綠色、智能要求的不斷提高，對大功率IGBT模塊的性能與可靠性提出了越來越高的要求，需要更高的功率密度、更高的工作溫度、更高的運行可靠性來滿足新一代牽引動力的應用需求。

傳統(tǒng)半導體工藝基于鋁金屬化與互連工藝，相應的主流大功率IGBT模塊大都是沿用鋁工藝技術，如芯片表面鋁金屬化、芯片互連鋁引線鍵合、功率端子與陶瓷襯板焊片焊接等。由于功率模塊內部異質材料之間不可避免地存在熱膨脹系數(shù)失配，加上鋁材料熱膨脹系數(shù)較高，大功率模塊內部因長期處于溫度循環(huán)和功率循環(huán)的沖擊而出現(xiàn)焊點開裂、焊層退化現(xiàn)象，影響了模塊長期應用的可靠性。

功率半導體封裝技術的進步很大程度上來源于材料與制造工藝的發(fā)展。銅金屬比鋁具有更優(yōu)良的導電與導熱性能，有良好的抗電遷移能力和可靠性，可以通過物理氣相淀積（PVD）和電鍍工藝實現(xiàn)沉積。

如果將銅作為一種新型電極材料替代IGBT正面鋁金屬電極，可以降低IGBT模塊的功率損耗、提高模塊功率循環(huán)能力，成為高性能IGBT的一種技術發(fā)展趨勢。由于銅離子在芯片內部是一種有害雜質，以及工藝平臺兼容性等問題，阻礙了銅工藝在IGBT等功率器件制造中的應用發(fā)展。

大功率IGBT模塊封裝的可靠性，很大程度上取決于芯片之間的引線互連工藝可靠性水平，因為引線材料及其鍵合點的可靠性直接決定了模塊應用過程中的功率循環(huán)能力。采用銅引線取代傳統(tǒng)的鋁引線實現(xiàn)鍵合互連，相同線徑的銅引線載流能力可以提高70%，是IGBT技術發(fā)展方向，尤其是在軌道交通、電力系統(tǒng)等高端應用領域。

要實現(xiàn)銅引線的互連，首先必須確保芯片表面的金屬化電極是銅，因此芯片銅金屬化是銅引線鍵合互連的基礎。

新一代全銅工藝技術主要包含芯片銅金屬化、銅引線鍵合互連和模塊銅功率端子超聲焊接三部分技術。與封裝結構相同的鋁工藝模塊相比，銅工藝模塊主要有兩方面的改進內容：首先是在芯片表面生長厚銅層，不僅有利于降低芯片通態(tài)損耗、改善散熱，同時還可以緩解銅引線鍵合過程中的沖擊力，提高鍵合點的可靠性；其次，芯片之間的銅引線鍵合互連，可以降低模塊寄生電阻損耗，減小鍵合引線自熱效應的影響。

Infineon公司提出了包括IGBT芯片銅金屬化、銅引線鍵合等新技術的.XT技術，通過應用在中低壓模塊，對比說明了該技術可以在很大程度上提高模塊的使用效率及壽命。

圖1 750A/6 500V全銅IGBT模塊封裝工藝

圖2 全銅工藝750A/6 500V IGBT模塊SOA

在整合上述先進工藝的基礎上，并基于先進的8in(lin=0.025 4m)IGBT高壓芯片工藝平臺，新型功率半導體器件國家重點實驗室、株洲中車的研究人員研發(fā)了銅金屬化IGBT/FRD（快恢復二極管）芯片和銅引線鍵合工藝，這是一種包括芯片銅金屬化、銅引線鍵合互連、銅端子超聲焊接的全銅工藝高壓大電流IGBT模塊技術。

圖3 750A/6 500V模塊的功率循環(huán)測試

與傳統(tǒng)鋁工藝技術相比，銅工藝IGBT模塊具有更低的通態(tài)損耗、更高抗浪涌電流能力和更長功率循環(huán)壽命。全銅工藝模塊不僅使導通損耗降低了10%、浪涌電流能力提升了20％，而且功率循環(huán)能力提高了16倍，提升了功率模塊的運行韌性與應用可靠性。

圖4 模塊HTGB/HTRB試驗前后結果比較

在此基礎上，他們首次研制出了基于全銅工藝的750A/6500V高性能IGBT模塊，并將其性能、溫度循環(huán)和功率循環(huán)能力提高到一個新的水平，并具有優(yōu)良的動/靜態(tài)特性和高可靠性，滿足了新一代牽引變流器的應用需求，有望推廣到柔性直流輸電等高端應用領域。

以上研究成果發(fā)表在2020年第21期《電工技術學報》，論文標題為“基于全銅工藝的750A/6500V高性能IGBT模塊”，作者為劉國友、羅海輝、張鴻鑫、王彥剛、潘昭海。