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高压大容量绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块内部异质材料热膨胀系数失配是模块疲劳老化失效的主要机理。为了降低模块异质材料间热膨胀系数的差异,提高其功率循环能力与长期运行可靠性,新型功率半导体器件国家重点实验室、株洲中车时代电气股份有限公司、株洲中车时代半导体有限公司的研究人员刘国友、罗海辉、张鸿鑫、王彦刚、潘昭海,在2020年第21期《电工技术学报》上撰文,提出功率模块采用全铜材料实线电学互连的思路,系统地研究了IGBT芯片铜金属化、铜引线键合与铜母线端子超声焊接等新技术,实现了IGBT功率模块全铜化封装的成套工艺,研发了基于全铜工艺的大容量高性能750A/6500V IGBT模块,首次实现了全铜工艺的高压模块。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是电气化轨道交通装备中负责电能转换的核心部件,高压大容量IGBT模块长期运行可靠性对牵引变流器的安全运行至关重要。目前1500A/3300V、1200A/4500V和750A/6500V等级的高压大容量IGBT模块已经广泛应用在“复兴号”高铁、“和谐号”电力机车牵引变流器中。随着轨道交通高速、重载技术的发展和电力电子装置绿色、智能要求的不断提高,对大功率IGBT模块的性能与可靠性提出了越来越高的要求,需要更高的功率密度、更高的工作温度、更高的运行可靠性来满足新一代牵引动力的应用需求。传统半导体工艺基于铝金属化与互连工艺,相应的主流大功率IGBT模块大都是沿用铝工艺技术,如芯片表面铝金属化、芯片互连铝引线键合、功率端子与陶瓷衬板焊片焊接等。由于功率模块内部异质材料之间不可避免地存在热膨胀系数失配,加上铝材料热膨胀系数较高,大功率模块内部因长期处于温度循环和功率循环的冲击而出现焊点开裂、焊层退化现象,影响了模块长期应用的可靠性。功率半导体封装技术的进步很大程度上来源于材料与制造工艺的发展。铜金属比铝具有更优良的导电与导热性能,有良好的抗电迁移能力和可靠性,可以通过物理气相淀积(PVD)和电镀工艺实现沉积。