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半导体开放世界

压接型功率器件接触可靠性

Press-Pack Power-Device Contact Reliability（PP-IGBT / Pressure Contact / Fretting）也称 压接型IGBT、压接封装、压力接触器件、弹簧探针疲劳、微动磨损、press-pack IGBT

压接封装以外部夹紧力和内部弹性接触建立电流与双面热路径，省去传统键合线和部分焊层，却引入压力分布、弹簧松弛、接触磨损与电热反馈的新可靠性边界。

专深出处 2 份资料
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速览

约 1 分钟

压接不是‘没有互连’，而是把冶金连接换成受压力维持的多层接触。压力过低会增大电/热接触电阻，过高或不均又可能损伤芯片顶层和栅极结构；温度循环造成微小相对滑移，接触面会氧化、磨损并逐渐形成热点。

系统理解

约 2 分钟

压接型IGBT通常由上下电极、钼片/银片、芯片和栅极弹性探针组成，并依赖外部夹紧力维持导电与导热。真实粗糙表面仅在微凸体上接触，因此电接触电阻和热接触电阻随材料、粗糙度、温度及压力变化；额定夹紧力必须在规定安装结构与均匀度下解释。

弹簧或探针在动态载荷和热循环中反复压缩、释放，可能发生高周疲劳、蠕变松弛或接触不良。栅极探针完全失接会使芯片无法受控；电阻上升则改变栅充放电速度，延长开关时间和损耗，形成温升—接触退化反馈。

芯片顶层接触区在微小相对位移下发生fretting。磨耗或氧化层破坏使接触电阻波动，局部发热再促进表面退化。多芯片结构中压力、接触阻抗和寄生差异会造成电流与温度不均，较热子单元承担更大损耗并加速老化。

外部压力过大或局部分布不均会把机械应力传入硅和栅极区域，因此常用较厚顶层铝或缓冲结构分散载荷。压接封装可获得低寄生、双面冷却和失效短路等系统优势，但不能用‘无键合线/无焊料’推导无疲劳；设计验证必须联合压力图、接触电阻、热阻、开关波形与拆解形貌。

承接先进封装、芯片顶层金属化与功率循环，向后连接多芯片均流、在线热阻监测、HVDC可靠性和多物理场建模。

公式提示

接触处焦耳热可用P=I²Rc作一阶筛查；Rc随压力、温度、氧化、磨损和真实接触面积变化，且多芯片电流不均，不能把标称平均值当作每个子单元。

关键参数

关键参数
参数单位含义
总夹紧力与局部接触压力kN / MPa维持界面并限制芯片机械应力
电/热接触电阻μΩ / K·W⁻¹连接导通损耗和双面散热
弹簧刚度、松弛与循环数N·mm⁻¹ / % / cycle描述栅极和主接触保持能力
微动位移与表面磨损μm / μm描述fretting损伤驱动力
电流/温度/压力不均匀度%识别多芯片最弱子单元

常见误区

  • 认为压接封装不存在互连疲劳
  • 认为夹紧力越大电热性能越好
  • 把总导通电阻上升直接定位到某一接触层
  • 忽略栅极探针电阻对开关过程的影响
  • 用平均压力代替各芯片局部压力分布

工程深入

12 条结论 · 1 道例题

结构原理

定义

压接封装以外部压力建立多层电热接触

上下电极、垫片、芯片和弹性结构通过规定夹紧力形成主电流和双面散热路径。12

成立条件 器件按规定堆叠安装；外部预紧持续存在

接触物理

机制

真实接触面积由离散微凸体承担

名义贴合面并非全区域导电导热，压力、表面形貌和材料硬度决定微接触点及接触电阻。12

成立条件 表面存在工程粗糙度；接触未冶金焊合

弹性接触

机制

弹簧疲劳和松弛会削弱接触保持力

栅极或主接触弹性元件反复受压与温升后可能疲劳断裂或刚度下降，造成接触不稳。12

成立条件 动态载荷或热循环；弹簧材料和几何受控

栅极路径

机制

栅极探针电阻上升会改变开关速度

栅极接触未完全开路前，增加的串联电阻已可降低dVCE/dt和dIC/dt、延长开关时间并增加损耗。12

成立条件 栅极由弹性探针接触；驱动电压和外部栅阻不变

微动磨损

机制

热循环微滑移会损伤接触表面

材料热胀冷缩使接触层发生微小相对位移，反复fretting可改变粗糙度、氧化层和真实接触面积。12

成立条件 界面允许微滑移；存在周期温度或压力波动

压力窗口

边界

夹紧力过低和过高都可能降低可靠性

压力不足增大接触电热阻，压力过高或局部集中又会损伤顶层金属、栅极和芯片，不能单向最大化。12

成立条件 按器件规定安装；测量局部而非仅总压力

多芯片均流

机制

压力不均会通过阻抗差造成芯片电流不均

各子单元接触电阻和热路径不同会改变并联分流，较高损耗子单元温升后可能进一步恶化。12

成立条件 多个芯片并联；共用外部电极和冷却

电热反馈

机制

接触电阻退化形成局部发热正反馈

同一电流下Rc上升使I²Rc损耗增加，温升和热膨胀又会改变接触压力与表面磨损。12

成立条件 负载电流持续；冷却未完全补偿局部热源

缓冲结构

关联

较厚顶层铝可缓冲接触机械载荷

压接芯片常用较厚表面金属层分散探针或垫片压力，但仍需评价局部塑性、磨损和栅极区保护。12

成立条件 顶层金属与压力结构协同设计；不把厚度当作唯一参数

诊断边界

边界

总电阻或热阻漂移不能定位具体接触层

多层串并联接触、芯片本体和外部夹具共同贡献测量值，需要压力图、局部温度和拆解形貌互证。12

成立条件 参考面固定；保留初始器件基线

封装边界

边界

去掉键合线和焊层只是转移失效位置

压接结构减少传统互连疲劳，却增加弹簧、压力接触、磨损和局部机械应力，仍需完整功率循环与环境验证。12

成立条件 比较相同系统任务；失效判据覆盖电热机械

接触损耗尺度

公式

百安电流下五十微欧接触电阻耗散零点五瓦

教学例说明很小的接触电阻在大电流下也会形成可观局部热源。12

P0=I²Rc=0.5 W; P1=1.0 W; ΔP=0.5 W

P
单一接触处焦耳热，单位 W

成立条件 I=100 A；Rc由50 μΩ增至100 μΩ；近似直流均匀电流

例题：动手算一次教学假设，可复算

100 A通过50 μΩ接触，电阻退化到100 μΩ时接触损耗如何变化？

已知

  1. I=100 A
  2. Rc0=50 μΩ
  3. Rc1=100 μΩ

步骤

  1. P0=100²·50×10⁻⁶=0.5 W，计算初始接触热。
  2. P1=100²·100×10⁻⁶=1.0 W，电阻加倍后的损耗。
结果 损耗由0.5 W增至1.0 W，增加0.5 W。

微欧级变化在大电流下不可忽略。

不能外推到 真实芯片电流、压力与温度不均，瞬态开关还含寄生损耗。

出处

2 份资料 · 2 处引用
  1. 1
  2. 2

    Optimization of the Thermal Contact Resistance within Press Pack IGBTs

    Erping Deng, Zhibin Zhao, Peng Zhang, Yongzhang Huang, Jinyuan Li · 2017

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