團(tuán)隊(duì)介紹

重慶大學(xué)李輝教授研究團(tuán)隊(duì)主要圍繞可再生能源電力裝備安全可靠運(yùn)行開展研究，擁有完備的材料-封裝-器件-裝備仿真及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。近五年，團(tuán)隊(duì)在大功率電力電子器件可靠性研究方向承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金智能電網(wǎng)聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目1項(xiàng)“壓接型IGBT器件封裝老化失效演化機(jī)理及測評(píng)方法”，參與國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目3項(xiàng)“電力系統(tǒng)用國產(chǎn)高壓大功率IGBT芯片及模塊的應(yīng)用研發(fā)”、“碳化硅大功率電力電子器件及應(yīng)用基礎(chǔ)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(píng)估方法研究”；承擔(dān)國家自然基金面上項(xiàng)目3項(xiàng)，參與工信部高新技術(shù)科研項(xiàng)目1項(xiàng)，國際合作項(xiàng)目2項(xiàng)以及省部級(jí)科技項(xiàng)目10余項(xiàng)；獲重慶市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)各1項(xiàng)。

李輝

1973年生，博士，教授，博導(dǎo)，教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃入選者，愛思唯爾“中國高被引學(xué)者”，輸配電裝備及系統(tǒng)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮悠骷庋b與可靠性、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、特種電機(jī)設(shè)計(jì)。

劉人寬

1996年生，博士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮悠骷庋b與可靠性。

“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)下，加快構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)已成為廣泛共識(shí)，以高壓大功率IGBT器件為核心的電力電子裝備是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)和保障其安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要技術(shù)手段。壓接型IGBT器件，因其失效短路、低熱阻、雙面散熱等優(yōu)點(diǎn)，正逐漸取代傳統(tǒng)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(jìn)輸電技術(shù)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(xiàn)有封裝可靠性研究多聚焦于傳統(tǒng)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(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)封裝退化監(jiān)測，是保障電力電子裝備可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。本文對(duì)壓接型IGBT器件封裝結(jié)構(gòu)、封裝失效模式及退化監(jiān)測方法、監(jiān)測方法發(fā)展趨勢(shì)等問題進(jìn)行了深入探討。

 

項(xiàng)目研究背景

電力電子器件正向大容量大功率方向發(fā)展，傳統(tǒng)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(jí)的需求。而壓接型IGBT器件易于規(guī)?；酒⒙?lián)封裝、串聯(lián)使用，同時(shí)具有失效短路、低熱阻、雙面散熱等優(yōu)點(diǎn)，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(tǒng)焊接型IGBT器件內(nèi)部存在更為復(fù)雜的機(jī)-電-熱復(fù)合應(yīng)力，其與焊接型IGBT器件封裝失效模式明顯不同。因此，準(zhǔn)確認(rèn)知壓接型IGBT器件封裝失效機(jī)理，厘清壓接型IGBT器件封裝失效模式與特征參量的關(guān)聯(lián)，才能有效實(shí)現(xiàn)封裝退化監(jiān)測，科學(xué)指導(dǎo)運(yùn)維方案，保障電力電子裝備可靠運(yùn)行。

論文所解決的問題及意義

針對(duì)壓接型IGBT器件封裝退化監(jiān)測問題，本文介紹壓接型IGBT器件現(xiàn)有的四種封裝結(jié)構(gòu)，并基于七種封裝失效機(jī)理，逐一分析各失效模式下對(duì)應(yīng)的特征參量及監(jiān)測手段，形成“失效機(jī)理-特征參量-監(jiān)測手段”全鏈條，并展望封裝退化監(jiān)測新思路，為大功率器件封裝設(shè)計(jì)、可靠性研究及工程應(yīng)用提供參考。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

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

壓接型IGBT器件封裝結(jié)構(gòu)

隨后，分析了微動(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、開路失效七種封裝失效機(jī)理。并基于封裝失效機(jī)理，分別討論了失效過程中特征參量的變化規(guī)律及監(jiān)測手段。在此基礎(chǔ)之上，從封裝退化表征及評(píng)估、非接觸式監(jiān)測、高靈敏度監(jiān)測三個(gè)方面，展望壓接型IGBT器件封裝退化監(jiān)測新思路。

結(jié)論

本文系統(tǒng)分析了壓接型IGBT器件七種封裝失效模式及對(duì)應(yīng)的封裝退化監(jiān)測方法，并對(duì)未來研究做出展望。指出壓接多芯片器件內(nèi)部參量分布監(jiān)測、封裝退化表征應(yīng)是未來研究重點(diǎn)，高靈敏度、非接觸式監(jiān)測方法將是未來發(fā)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(jiān)測方法綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 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.