一、封装结构

为解决高功率密度下 IGBT 功率模块散热问题，1993 年日本富士公司提出 u-stack 封装，经过多年的发展，形成了弹簧式和直接接触式两种压接封装。直接压接封装是通过两个钼片将芯片的发射极和集电极引出，栅极通过一个小探针引 出。因此，直接压接封装具有双面散热通道，但由于各部件间均为刚性连接，结构和材料更易疲劳。弹簧压接封装则是通过蝶形弹簧和栅极连接板将发射极和栅极引出。这种封装减少了栅射极的热通路截面积，因此散热能力比直接压接型封装弱，而由于弹簧的存在，压力均衡性更优，材料不易受损。

与焊接型封装相比，压接型封装具有寄生电感低和失效短路的优点，但由于循环热应力和多层结构 CTE 不匹配，会产生微动磨损失效、接触面烧蚀失效、弹簧失效和栅极氧化层失效现象。对于多芯片集联的 IGBT 功率模块，各个 IGBT 功率模块所处的热、机械和电磁环境差异性会导致模块内部热和电流分布不均衡，从而使横向结构中一些位置更容易失效。

二、 压接 IGBT 功率模块封装失效机理

1、微动磨损失效

压接封装的电气连接主要依靠连接层之间的压力，因此在热应力作用下，各层出现水平摩擦现象，导致接触面粗糙度增大，引发电阻和热阻增大，使得温度梯度增大加重摩擦，形成正反馈循环。长期处于这种情况下，会导致压接封装接触脱离，造成器件失效。

2、接触面烧蚀失效

烧蚀是指由于芯片微小电弧所导致的材料表面出现消融损伤的现象。在压接封装中产生这种现象的原因是，界面间出现不良接触，导致电场分布不均衡，可引起局部放电。

3、弹簧失效

对于弹簧压接封装，弹簧会随使用时长的增加产生疲劳、应力松弛和磨损的现象。常见的弹簧失效是栅极接触弹簧发生应力松弛，从而使得栅极探针与芯片接触失良，造成电阻和热阻增大，后发生失效。

4、栅氧化层失效

无论何种封装，IGBT 芯片栅极表面都存在氧化层。由于封装过程中的压力不均衡或是在功率循环往复过程中热应力的作用，致使探针或钼片挤压栅氧化层而使之损伤。栅氧化层发生损伤后，栅射电阻下降，漏电流上升，导通压降上升，芯片产热进一步加剧，热应力加大，形成正向循。

5、多芯片封装失效

当压接封装出现短路时，芯片表面的 Al 层会在高温高压下与 Si 形成铝硅合金并开始与之前的材料互 融。此 时，IGBT 功率模块导通不受栅极控制。因此，在冗余设计中，压接封装更适合串联连接。为实现大功率场合下应用，多采用串联集成封装。此时需要严格控制每单个芯片的厚度工差，使其压力分布均匀。由于集肤效应和临近效应，在边缘和角落的 IGBT 功率模块会承受更大的电流。且模块部分角落的芯片温度高于中心芯片的温度。这种情况的存在会使得封装基板发生翘曲，增加热阻，加剧失效。在串联情况下，某一芯片的失效，需要其他未失效芯片承受更大的电压和电流，使得整个模块更易失效。