团队介绍

重庆大学李辉教授研究团队主要围绕可再生能源电力装备安全可靠运行开展研究，拥有完备的材料-封装-器件-装备仿真及实验平台。近五年，团队在大功率电力电子器件可靠性研究方向承担了国家自然科学基金智能电网联合基金重点项目1项“压接型IGBT器件封装老化失效演化机理及测评方法”，参与国家重点研发计划项目3项“电力系统用国产高压大功率IGBT芯片及模块的应用研发”、“碳化硅大功率电力电子器件及应用基础理论研究”、“大容量电力电子装备多物理场综合分析及可靠性评估方法研究”；承担国家自然基金面上项目3项，参与工信部高新技术科研项目1项，国际合作项目2项以及省部级科技项目10余项；获重庆市科技进步二等奖、三等奖各1项。

李辉

1973年生，博士，教授，博导，教育部新世纪优秀人才支持计划入选者，爱思唯尔“中国高被引学者”，输配电装备及系统安全国家重点实验室副主任。主要研究方向为电力电子器件封装与可靠性、风力发电技术、特种电机设计。

刘人宽

1996年生，博士研究生，主要研究方向为电力电子器件封装与可靠性。

“碳达峰”“碳中和”目标下，加快构建以新能源为主体的新型电力系统已成为广泛共识，以高压大功率IGBT器件为核心的电力电子装备是构建新型电力系统和保障其安全稳定运行的重要技术手段。压接型IGBT器件，因其失效短路、低热阻、双面散热等优点，正逐渐取代传统焊接型IGBT器件，成为柔性直流换流阀、高压直流断路器等先进输电技术装备的首选功率器件。

 

封装老化失效是影响器件可靠性的重要因素，而现有封装可靠性研究多聚焦于传统焊接封装。因此，厘清压接型IGBT器件封装失效模式与特征参量的关联，实现封装退化监测，是保障电力电子装备可靠运行的关键。本文对压接型IGBT器件封装结构、封装失效模式及退化监测方法、监测方法发展趋势等问题进行了深入探讨。

 

项目研究背景

电力电子器件正向大容量大功率方向发展，传统焊接型IGBT器件存在功率密度不足、单面散热等问题，难以满足更高功率等级的需求。而压接型IGBT器件易于规模化芯片并联封装、串联使用，同时具有失效短路、低热阻、双面散热等优点，正逐渐取代焊接型IGBT器件。

压接型IGBT器件受压力影响明显，较传统焊接型IGBT器件内部存在更为复杂的机-电-热复合应力，其与焊接型IGBT器件封装失效模式明显不同。因此，准确认知压接型IGBT器件封装失效机理，厘清压接型IGBT器件封装失效模式与特征参量的关联，才能有效实现封装退化监测，科学指导运维方案，保障电力电子装备可靠运行。

论文所解决的问题及意义

针对压接型IGBT器件封装退化监测问题，本文介绍压接型IGBT器件现有的四种封装结构，并基于七种封装失效机理，逐一分析各失效模式下对应的特征参量及监测手段，形成“失效机理-特征参量-监测手段”全链条，并展望封装退化监测新思路，为大功率器件封装设计、可靠性研究及工程应用提供参考。

论文方法及创新点

首先，本文介绍了刚性压接、弹性压接、纳米银烧结及混合压接四种常用的封装结构。

压接型IGBT器件封装结构

随后，分析了微动磨损失效、栅氧化层失效、接触面微烧蚀失效、边界翘曲失效、弹簧失效、短路失效、开路失效七种封装失效机理。并基于封装失效机理，分别讨论了失效过程中特征参量的变化规律及监测手段。在此基础之上，从封装退化表征及评估、非接触式监测、高灵敏度监测三个方面，展望压接型IGBT器件封装退化监测新思路。

结论

本文系统分析了压接型IGBT器件七种封装失效模式及对应的封装退化监测方法，并对未来研究做出展望。指出压接多芯片器件内部参量分布监测、封装退化表征应是未来研究重点，高灵敏度、非接触式监测方法将是未来发展方向。

引用本文

李辉, 刘人宽, 王晓, 姚然, 赖伟. 压接型IGBT器件封装退化监测方法综述[J]. 电工技术学报, 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.