一种IGBT基于故障物理及有限元仿真的筛选剖面验证方法技术

本发明专利技术公开了一种IGBT基于故障物理及有限元仿真的筛选剖面验证方法，包括以下步骤：S1、根据IGBT结构、功能及服役工况，确定IGBT高加速应力筛选剖面的方案设计，建立初始筛选剖面；S2、基于故障物理确定加速模型，建立初始筛选剖面的加速因子模型，计算筛选剖面的加速因子；S3、对步骤S2完成有效性验证的筛选剖面，建立基于故障物理的IGBT疲劳损伤计算模型，采用有限元仿真计算筛选剖面下IGBT器件的寿命损伤，计算筛选剖面累积损伤，完成剖面的安全性验证。本发明专利技术基于故障物理及有限元仿真，克服了传统通过试验进行的筛选验证方法的验证周期长的缺点；由于验证过程借助仿真软件完成，不需要破坏相应的实际器件及实验设备，因此对人力物力的消耗很小。

A IGBT based verification method for screening profiles based on fault physics and finite element simulation

The invention discloses a screening section verification method based on IGBT fault physics and finite element simulation, including the following steps: S1, according to IGBT structure, function and service condition, determine the scheme design of IGBT high acceleration stress screening section, establish initial screening section; S2, based on the fault physical determination acceleration model, set up the initial stage. The acceleration factor model of the section is selected and the acceleration factor of the screening section is calculated. S3, the screening section that completes the validation of the step S2, the IGBT fatigue damage calculation model based on the fault physics is established, and the life damage of the IGBT device under the section is screened by the finite element simulation, and the cumulative damage of the selected section is calculated and completed. Safety verification of section. Based on the fault physics and the finite element simulation, the invention overcomes the shortcomings of the traditional screening verification method, which has long validation cycle through the experiment. As the verification process is completed with the aid of the simulation software, it does not need to destroy the corresponding actual devices and experimental equipment, so the consumption of human and material resources is very small.

【技术实现步骤摘要】
一种IGBT基于故障物理及有限元仿真的筛选剖面验证方法
本专利技术属于功率电子元器件可靠性试验
，具体涉及一种IGBT基于故障物理及有限元仿真的筛选剖面验证方法。
技术介绍
在工业应用中，虽然功率电子元器件的固有可靠性在材料、制造和封装工艺上得到了一定的保证，但是在实际工业应用中却故障频发。因此，在工业应用背景下，针对提高功率电子元器件可靠性的研究十分迫切。此外，筛选技术，作为影响元器件使用可靠性的重要因素之一，对于提高电子元器件的整体可靠性具有重要意义。近年来随着我国载人登月、空间站建设等重大航天活动和大规模进入空间的需求，这为运载火箭高可靠性和高任务成功率的保证提出了更高、更紧迫的要求。这其中最为关键的环节之一为保证和提高运载火箭中关键元器件的质量水平。目前，组成运载火箭控制系统的基础元器件种类繁多，且其中的关键功率电子器件如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，尚未在国产化上取得突破。因此该类功率电子器件多为国外进口工业级成品，但是工业级成品的质量水平往往难以达到航天级器件的要求。为了保证工业级电子器件用于航天级任务的高可靠性要求，往往要对其进行更严苛的筛选试验，剔除不满足航天任务环境下使用的有缺陷产品。在筛选试验剖面设计中，初始剖面需经反复验证修改，才能确定为合格的筛选剖面。此外，筛选剖面的验证由剖面有效性验证和剖面安全性验证两方面组成。目前常用的传统剖面验证方法主要是通过破坏性实验完成。由于传统的剖面验证方法要经过反复多次验证，因此主要存在两方面的缺陷，一方面实验周期长，另一方面对人力物力的消耗较大。因此为了解决传统通过实验进行IGBT筛选剖面验证方法试验周期长及对人力物力要求较高的诸多弊端，有必要研究一种更实用的IGBT筛选剖面验证方法，从而完成IGBT筛选剖面的验证，确定出合适的筛选剖面，对工业级IGBT进行相应筛选，达到提高IGBT器件使用可靠性的目的，保障我国航天事业的持续发展。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有IGBT筛选剖面验证方法试验周期长及对人力物力要求高的不足，提供一种基于故障物理及有限元仿真的方法，验证过程借助仿真软件完成，不需要破坏相应的实际器件及实验设备，从而对人力物力的消耗很小。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种IGBT基于故障物理及有限元仿真的筛选剖面验证方法，包括以下步骤：S1、根据IGBT结构、功能及服役工况，确定IGBT高加速应力筛选剖面的方案设计，建立初始筛选剖面；S2、根据步骤S1确定的初始筛选剖面的组成形式，基于故障物理确定加速模型，建立初始筛选剖面的加速因子模型，计算筛选剖面的加速因子，从加速因子的角度完成量化的筛选剖面有效性验证；S3、对步骤S2完成有效性验证的筛选剖面，建立基于故障物理的IGBT疲劳损伤计算模型，采用有限元仿真计算筛选剖面下IGBT器件的寿命损伤，计算筛选剖面累积损伤，完成剖面的安全性验证。进一步地，所述步骤S1具体包括以下子步骤：S11、由IGBT结构、功能及服役工况确定器件基本失效模式、高加速应力筛选的敏感应力及筛选应力施加方式；S12、在步骤S11的基础上，对器件设计相应的高加速应力筛选试验方案实施框架，确定初始筛选剖面。进一步地，所述高加速应力筛选的敏感应力包括温度循环和随机振动，其施加方式为由一种循环周期组成的两应力共同施加的标准剖面组成形式。进一步地，所述步骤S2包括以下子步骤：S21、建立恒定温度应力下的加速模型，在此基础上推导温度循环应力下的加速因子模型。采用Arrhenius方程来描述温度对电子元器件的影响关系，得到温度循环下的等效加速因子的数学表达式如下：化简后得：其中，g1＝exp{(EA/K)[(1/T0)-(1/T(t))]}；η为预设的常数；EA为激活能；K为波尔兹曼常数，8.623×105eV/K；T(t)为温度循环参数，表示为：加热发生在(0，t1)和(t5，t6)；冷却发生在(t2，t4)；(t1，t2)为高温驻留时间；(t4，t5)为低温驻留时间；Tu和Tl分别代表温度曲线中的高、低温极限；T0代表温度循环的起始正常工作温度；βh为温度升高时曲线的形参；βc为温度下降时曲线的形参；S22、建立随机振动下的加速模型，确定相应的加速因子模型；使用逆幂率模型来表示随机振动下的加速因子模型，得到随机振动下的加速因子为：式中，Ts是加速试验条件下的疲劳寿命；Tr是实际环境条件下的疲劳寿命；gr和gs分别表示实际条件下和实验室条件下的加速度均方根值；α是材料的S-N曲线在双对数坐标下的斜率。S23、在步骤S21、S22的基础上，建立综合应力下的加速模型，得到筛选剖面下的加速因子为：AF＝AF1·AF2其中，AF1为温度循环下的等效加速因子，AF2为随机振动下的加速因子。进一步地，所述步骤S3包括以下子步骤：S31、基于故障物理，建立相应的IGBT筛选剖面下的疲劳损伤计算模型及筛选应力单独作用下的疲劳损伤计算模型，表示为：Dtotal＝DTC+DRV式中，DTC表示温度循环造成的疲劳累积损伤值；DRV表示随机振动造成的疲劳累积损伤值；S32、针对S31建立的温度循环筛选应力单独作用下的疲劳损伤计算模型，计算温度循环应力下的疲劳损伤；S33、针对S31建立的随机振动筛选应力单独作用的疲劳损伤计算模型，计算随机振动应力下的疲劳损伤；S34、在S32、S33的基础上，基于筛选剖面下的疲劳损伤计算模型，求得筛选剖面下IGBT器件的总疲劳损伤，从而确定筛选剖面不会过度损伤器件的有效寿命，完成筛选剖面的有效性验证。进一步地，所述步骤S31中，温度循环造成的疲劳累积损伤值的计算方法为：式中，n为温度剖面作用次数，Nf为疲劳寿命。进一步地，所述步骤S31中，随机振动造成的疲劳累积损伤值计算方法为：其中，n1σ＝0.6831f0t，n2σ＝0.271f0t，n3σ＝0.0433f0t；得到：式中，n1σ、n2σ、n3σ分别对应为1σ、2σ、3σ应力下的循环作用次数；N1σ、N2σ、N3σ分别为1σ、2σ、3σ应力下的疲劳寿命，σ为随机振动应力；t为振动时间；σ'f为疲劳强度系数；b为疲劳强度指数；f0是振动试验中的统计平均频率。本专利技术的有益效果是：本专利技术针对传统通过实验进行IGBT筛选剖面验证方法试验周期长及对人力物力要求高的问题，确定IGBT高加速应力筛选剖面的方案设计，建立初始筛选剖面。在上述基础上，克服传统的通过试验进行的剖面验证方法，基于故障物理及有限元仿真技术进行筛选剖面验证。根据给定初始筛选剖面的组成形式，基于故障物理，确定加速模型，建立相应筛选剖面下的加速因子模型，通过计算筛选剖面的加速因子，从加速因子的角度完成量化的筛选剖面有效性验证。针对完成有效性验证的剖面，建立基于故障物理的IGBT疲劳损伤计算模型，采用有限元仿真计算筛选剖面下IGBT器件的寿命损伤，确保设计的筛选剖面不过度损伤器件的有限寿命，从而从计算累积损伤的角度完成了剖面的安全性验证，最终完成了IGBT筛选剖面的验证。基于故障物理及有限元仿真的方法，克服了传统通过试验进行的筛选验证方法的验证周期长的缺点，同时由于验证过程借助仿真软件完成，不需要破坏相应的实际器件及实验设备，因此对人力物力的消耗很小。附图说明图1为本专利技术的一种IG本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种IGBT基于故障物理及有限元仿真的筛选剖面验证方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据IGBT结构、功能及服役工况，确定IGBT高加速应力筛选剖面的方案设计，建立初始筛选剖面；S2、根据步骤S1确定的初始筛选剖面的组成形式，基于故障物理确定加速模型，建立初始筛选剖面的加速因子模型，计算筛选剖面的加速因子，从加速因子的角度完成量化的筛选剖面有效性验证；S3、对步骤S2完成有效性验证的筛选剖面，建立基于故障物理的IGBT疲劳损伤计算模型，采用有限元仿真计算筛选剖面下IGBT器件的寿命损伤，计算筛选剖面累积损伤，完成剖面的安全性验证。

【技术特征摘要】
1.一种IGBT基于故障物理及有限元仿真的筛选剖面验证方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据IGBT结构、功能及服役工况，确定IGBT高加速应力筛选剖面的方案设计，建立初始筛选剖面；S2、根据步骤S1确定的初始筛选剖面的组成形式，基于故障物理确定加速模型，建立初始筛选剖面的加速因子模型，计算筛选剖面的加速因子，从加速因子的角度完成量化的筛选剖面有效性验证；S3、对步骤S2完成有效性验证的筛选剖面，建立基于故障物理的IGBT疲劳损伤计算模型，采用有限元仿真计算筛选剖面下IGBT器件的寿命损伤，计算筛选剖面累积损伤，完成剖面的安全性验证。2.根据权利要求1所述的一种IGBT基于故障物理及有限元仿真的筛选剖面验证方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下子步骤：S11、由IGBT结构、功能及服役工况确定器件基本失效模式、高加速应力筛选的敏感应力及筛选应力施加方式；S12、在步骤S11的基础上，对器件设计相应的高加速应力筛选试验方案实施框架，确定初始筛选剖面。3.根据权利要求2所述的一种IGBT基于故障物理及有限元仿真的筛选剖面验证方法，其特征在于，所述高加速应力筛选的敏感应力包括温度循环和随机振动，其施加方式为由一种循环周期组成的两应力共同施加的标准剖面组成形式。4.根据权利要求3所述的一种IGBT基于故障物理及有限元仿真的筛选剖面验证方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下子步骤：S21、建立恒定温度应力下的加速模型，在此基础上推导温度循环应力下的加速因子模型；采用Arrhenius方程来描述温度对电子元器件的影响关系，得到温度循环下的等效加速因子的数学表达式如下：化简后得：其中，g1＝exp{(EA/K)[(1/T0)-(1/T(t))]}；η为预设的常数；EA为激活能；K为波尔兹曼常数，8.623×105eV/K；T(t)为温度循环参数，表示为：加热发生在(0，t1)和(t5，t6)；冷却发生在(t2，t4)；(t1，t2)为高温驻留时间；(t4，t5)为低温驻留时间；Tu和Tl分别代表温度曲线中的高、低温极限；T0代表温度循环的起始正常工作温度；βh为温度升高时曲线的形参；βc为温度下降时曲线的形参；S22、建立随机振动下的加速...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄洪钟，黄思思，彭卫文，李彦锋，郭来小，黄承赓，郭骏宇，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51