绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件，具有高输入阻抗和低导通压降的优点。通过将高压IGBT芯片规模化并联，与续流二极管（Freewheeling Diode, FWD）芯片封装成高压大功率IGBT器件，再通过器件串联，即可制造各类大容量电力电子装备，因此大功率IGBT器件是大容量电力电子装备的基础核心器件。

随着新能源发电、轨道交通、智能电网、电动汽车等新兴产业的蓬勃发展，IGBT器件得到了前所未有的广泛应用。在所有的功率半导体器件使用中，IGBT器件占比高达42%，是目前使用频率最高的功率半导体器件。

就高压直流输电领域而言，ABB公司指出，高压直流输电故障中75%以上为功率变换器故障。国内换流阀运行情况统计表明，换流阀年故障率为1.3次/年，其中84%的故障是换流阀元件故障。而封装失效是IGBT器件主要失效模式之一，封装可靠性已成为影响电力电子装备及系统安全的重要因素。IGBT器件封装退化监测技术通过监测封装退化过程中特征参量变化以评估封装退化程度，是实现器件状态评估、故障预测及智能运维的关键。

大功率IGBT器件有焊接与压接两种封装形式。焊接型IGBT器件通过键合线使内部芯片与外部电极形成电气连接，其生产成本较低，是目前应用最广泛的IGBT器件，但因其存在功率密度不足、焊料层脱落、键合线断裂、单面散热等问题，难以满足高功率等级的需求。压接型IGBT（Press Pack-Insulated Gate Bipolar Transistor, PP-IGBT）器件通过施加压力，使内部芯片与外部电极形成电气连接，可实现多芯片并联压接封装。相比焊接型IGBT器件，压接型IGBT器件易于规模化芯片并联封装、串联使用，且具有低热阻、双面散热、失效短路等优点。

图1 压接型IGBT器件封装类型

以我国正在建设的张北柔性直流输电工程为例，按4500V/3000A压接型IGBT器件计算，整个工程器件使用数量高达4万支以上，若因IGBT器件故障导致柔性直流换流站停运一天，经济损失将高达千万元，而实现压接型IGBT器件封装退化监测可有效地评估封装退化程度，科学指导运维方案并及时更换高劣化器件，有利于规避潜在故障风险，对电力系统安全运行至关重要。

国内外现有大功率IGBT器件封装退化监测方法研究的对象多为焊接型IGBT器件，如河北工业大学王希平等的综述性文献及美国马里兰大学H. Oh等的综述性文献，而对压接型IGBT器件研究较少。

重庆大学科研团队针对压接型IGBT器件，结合最新研究成果，综述压接型IGBT器件封装退化监测方法。首先，详细介绍刚性压接、弹性压接两种主要的压接型IGBT器件封装结构，以及纳米银烧结压接、混合压接两种近年提出的新型封装结构。然后，基于压接型IGBT器件微动磨损失效、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、开路失效共七种封装失效模式的失效机理，分析各失效模式对应的封装退化监测方法。

研究人员针对现有监测方法存在的问题，展望压接型IGBT器件封装退化监测新思路，提出未来研究重点将聚焦于封装退化评估及表征、非接触式监测、高灵敏度监测三方面。

1）压接多芯片IGBT器件内部参量分布监测：端部参量不能有效反映器件内部参量的分布情况，而器件内部压力、温度、电流分布特征是封装退化的重要表征，如何监测压接多芯片器件内部参量分布将是未来研究重点。

2）压接多芯片IGBT器件封装退化表征：特征参量与封装退化的关联机制是封装退化监测的关键，目前对压接多芯片IGBT器件封装失效机制认知有限，如何模拟封装失效演化全过程，分析特征参量与封装失效模式间的灵敏度关系，揭示特征参量与封装退化的关联机制将是未来研究重点。

3）非接触式封装退化监测方法：现有监测方法主要通过采集器件端部参量或测量内部参量分布的方式实现封装退化监测，存在冗杂的附加设备与侵入式设备，而基于电磁场、声场等物理场的非接触式监测方法附加设备少，便于实现在线评估，将是未来研究热点。

4）高灵敏度封装退化监测方法：目前常用的基于端部参量和热参量的监测方法对多芯片器件封装退化中早期灵敏度不佳，频率响应、脉冲响应、扩频时域反射等方法具有高灵敏度，但尚未能实现在线测评，如何实现高灵敏度封装退化监测将是未来研究重点。

本文编自2021年第12期《电工技术学报》，论文标题为“压接型IGBT器件封装退化监测方法综述”，作者为李辉、刘人宽 等。