團隊介紹

重慶大學李輝教授研究團隊主要圍繞可再生能源電力裝備安全可靠運行開展研究，擁有完備的材料-封裝-器件-裝備仿真及實驗平臺。近五年，團隊在大功率電力電子器件可靠性研究方向承擔了國家自然科學基金智能電網聯合基金重點項目1項“壓接型IGBT器件封裝老化失效演化機理及測評方法”，參與國家重點研發計劃項目3項“電力系統用國產高壓大功率IGBT芯片及模塊的應用研發”、“碳化硅大功率電力電子器件及應用基礎理論研究”、“大容量電力電子裝備多物理場綜合分析及可靠性評估方法研究”；承擔國家自然基金面上項目3項，參與工信部高新技術科研項目1項，國際合作項目2項以及省部級科技項目10余項；獲重慶市科技進步二等獎、三等獎各1項。

李輝

1973年生，博士，教授，博導，教育部新世紀優秀人才支持計劃入選者，愛思唯爾“中國高被引學者”，輸配電裝備及系統安全國家重點實驗室副主任。主要研究方向為電力電子器件封裝與可靠性、風力發電技術、特種電機設計。

劉人寬

1996年生，博士研究生，主要研究方向為電力電子器件封裝與可靠性。

“碳達峰”“碳中和”目標下，加快構建以新能源為主體的新型電力系統已成為廣泛共識，以高壓大功率IGBT器件為核心的電力電子裝備是構建新型電力系統和保障其安全穩定運行的重要技術手段。壓接型IGBT器件，因其失效短路、低熱阻、雙面散熱等優點，正逐漸取代傳統焊接型IGBT器件，成為柔性直流換流閥、高壓直流斷路器等先進輸電技術裝備的首選功率器件。

 

封裝老化失效是影響器件可靠性的重要因素，而現有封裝可靠性研究多聚焦于傳統焊接封裝。因此，厘清壓接型IGBT器件封裝失效模式與特征參量的關聯，實現封裝退化監測，是保障電力電子裝備可靠運行的關鍵。本文對壓接型IGBT器件封裝結構、封裝失效模式及退化監測方法、監測方法發展趨勢等問題進行了深入探討。

 

項目研究背景

電力電子器件正向大容量大功率方向發展，傳統焊接型IGBT器件存在功率密度不足、單面散熱等問題，難以滿足更高功率等級的需求。而壓接型IGBT器件易于規模化芯片并聯封裝、串聯使用，同時具有失效短路、低熱阻、雙面散熱等優點，正逐漸取代焊接型IGBT器件。

壓接型IGBT器件受壓力影響明顯，較傳統焊接型IGBT器件內部存在更為復雜的機-電-熱復合應力，其與焊接型IGBT器件封裝失效模式明顯不同。因此，準確認知壓接型IGBT器件封裝失效機理，厘清壓接型IGBT器件封裝失效模式與特征參量的關聯，才能有效實現封裝退化監測，科學指導運維方案，保障電力電子裝備可靠運行。

論文所解決的問題及意義

針對壓接型IGBT器件封裝退化監測問題，本文介紹壓接型IGBT器件現有的四種封裝結構，并基于七種封裝失效機理，逐一分析各失效模式下對應的特征參量及監測手段，形成“失效機理-特征參量-監測手段”全鏈條，并展望封裝退化監測新思路，為大功率器件封裝設計、可靠性研究及工程應用提供參考。

論文方法及創新點

首先，本文介紹了剛性壓接、彈性壓接、納米銀燒結及混合壓接四種常用的封裝結構。

壓接型IGBT器件封裝結構

隨后，分析了微動磨損失效、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、開路失效七種封裝失效機理。并基于封裝失效機理，分別討論了失效過程中特征參量的變化規律及監測手段。在此基礎之上，從封裝退化表征及評估、非接觸式監測、高靈敏度監測三個方面，展望壓接型IGBT器件封裝退化監測新思路。

結論

本文系統分析了壓接型IGBT器件七種封裝失效模式及對應的封裝退化監測方法，并對未來研究做出展望。指出壓接多芯片器件內部參量分布監測、封裝退化表征應是未來研究重點，高靈敏度、非接觸式監測方法將是未來發展方向。

引用本文

李輝, 劉人寬, 王曉, 姚然, 賴偉. 壓接型IGBT器件封裝退化監測方法綜述[J]. 電工技術學報, 2021, 36(12): 2505-2520. Li Hui, Liu Renkuan, Wang Xiao, Yao Ran, Lai Wei. Review on Package Degradation Monitoring Methods of Press-Pack IGBT Modules. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(12): 2505-2520.