- 頭條重慶大學科研團隊發表壓接型IGBT器件封裝退化監測方法的研究綜述2022-02-25 作者：李輝、劉人寬 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語壓接型IGBT器件是智能電網中大容量電力電子裝備的基礎核心器件，其可靠性直接關系到裝備及電網的運行安全，而封裝失效是其主要失效模式，封裝退化監測是實現其故障診斷、狀態預測及智能運維的關鍵。針對現有研究大多側重于傳統焊接型IGBT器件封裝退化監測的問題，輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）的研究人員李輝、劉人寬、王曉、姚然、賴偉，在2021年第12期《電工技術學報》上撰文，系統分析了壓接型IGBT器件不同封裝失效模式及對應的封裝退化監測方法，為可靠性測試研究、工程應用提供參考。
絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一種復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，具有高輸入阻抗和低導通壓降的優點。通過將高壓IGBT芯片規模化并聯，與續流二極管（Freewheeling Diode, FWD）芯片封裝成高壓大功率IGBT器件，再通過器件串聯，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核心器件。
隨著新能源發電、軌道交通、智能電網、電動汽車等新興產業的蓬勃發展，IGBT器件得到了前所未有的廣泛應用。在所有的功率半導體器件使用中，IGBT器件占比高達42%，是目前使用頻率最高的功率半導體器件。
就高壓直流輸電領域而言，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。國內換流閥運行情況統計表明，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安全的重要因素。IGBT器件封裝退化監測技術通過監測封裝退化過程中特征參量變化以評估封裝退化程度，是實現器件狀態評估、故障預測及智能運維的關鍵。
大功率IGBT器件有焊接與壓接兩種封裝形式。焊接型IGBT器件通過鍵合線使內部芯片與外部電極形成電氣連接，其生產成本較低，是目前應用最廣泛的IGBT器件，但因其存在功率密度不足、焊料層脫落、鍵合線斷裂、單面散熱等問題，難以滿足高功率等級的需求。壓接型IGBT（Press Pack-Insulated Gate Bipolar Transistor, PP-IGBT）器件通過施加壓力，使內部芯片與外部電極形成電氣連接，可實現多芯片并聯壓接封裝。相比焊接型IGBT器件，壓接型IGBT器件易于規模化芯片并聯封裝、串聯使用，且具有低熱阻、雙面散熱、失效短路等優點。
圖1 壓接型IGBT器件封裝類型
以我國正在建設的張北柔性直流輸電工程為例，按4500V/3000A壓接型IGBT器件計算，整個工程器件使用數量高達4萬支以上，若因IGBT器件故障導致柔性直流換流站停運一天，經濟損失將高達千萬元，而實現壓接型IGBT器件封裝退化監測可有效地評估封裝退化程度，科學指導運維方案并及時更換高劣化器件，有利于規避潛在故障風險，對電力系統安全運行至關重要。
國內外現有大功率IGBT器件封裝退化監測方法研究的對象多為焊接型IGBT器件，如河北工業大學王希平等的綜述性文獻及美國馬里蘭大學H. Oh等的綜述性文獻，而對壓接型IGBT器件研究較少。
重慶大學科研團隊針對壓接型IGBT器件，結合最新研究成果，綜述壓接型IGBT器件封裝退化監測方法。首先，詳細介紹剛性壓接、彈性壓接兩種主要的壓接型IGBT器件封裝結構，以及納米銀燒結壓接、混合壓接兩種近年提出的新型封裝結構。然后，基于壓接型IGBT器件微動磨損失效、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、開路失效共七種封裝失效模式的失效機理，分析各失效模式對應的封裝退化監測方法。
研究人員針對現有監測方法存在的問題，展望壓接型IGBT器件封裝退化監測新思路，提出未來研究重點將聚焦于封裝退化評估及表征、非接觸式監測、高靈敏度監測三方面。
1）壓接多芯片IGBT器件內部參量分布監測：端部參量不能有效反映器件內部參量的分布情況，而器件內部壓力、溫度、電流分布特征是封裝退化的重要表征，如何監測壓接多芯片器件內部參量分布將是未來研究重點。
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聯機制是封裝退化監測的關鍵，目前對壓接多芯片IGBT器件封裝失效機制認知有限，如何模擬封裝失效演化全過程，分析特征參量與封裝失效模式間的靈敏度關系，揭示特征參量與封裝退化的關聯機制將是未來研究重點。
3）非接觸式封裝退化監測方法：現有監測方法主要通過采集器件端部參量或測量內部參量分布的方式實現封裝退化監測，存在冗雜的附加設備與侵入式設備，而基于電磁場、聲場等物理場的非接觸式監測方法附加設備少，便于實現在線評估，將是未來研究熱點。
4）高靈敏度封裝退化監測方法：目前常用的基于端部參量和熱參量的監測方法對多芯片器件封裝退化中早期靈敏度不佳，頻率響應、脈沖響應、擴頻時域反射等方法具有高靈敏度，但尚未能實現在線測評，如何實現高靈敏度封裝退化監測將是未來研究重點。
本文編自2021年第12期《電工技術學報》，論文標題為“壓接型IGBT器件封裝退化監測方法綜述”，作者為李輝、劉人寬 等。
