一种计及内部材料疲劳寿命的压接式IGBT器件可靠性计算方法技术

本发明专利技术涉及一种计及内部材料疲劳寿命的压接式IGBT器件可靠性计算方法。首先，建立压接式IGBT器件的几何模型，根据压接式IGBT器件的运行工况设置有限元仿真条件；其次，通过仿真得到每层材料承受的疲劳强度，提取其疲劳属性参数，计算每层材料疲劳失效的循环次数；最后，计算器件中每层材料的疲劳寿命和故障率，建立单芯片压接式IGBT器件的可靠性计算模型，获取压接式IGBT器件故障率等可靠性指标。本发明专利技术提供一种计及内部材料疲劳寿命的压接式IGBT器件可靠性计算方法，充分考虑了压接式IGBT器件中不同材料属性寿命对器件可靠性的影响，提高了压接式IGBT器件可靠性计算准确性，可广泛用于压接式IGBT器件的可靠性设计和薄弱环节评估。

【技术实现步骤摘要】
一种计及内部材料疲劳寿命的压接式IGBT器件可靠性计算方法
本专利技术属于大功率半导体器件可靠性
，涉及一种计及内部材料疲劳寿命的压接式IGBT器件可靠性计算方法。
技术介绍
压接式IGBT器件因为其具有双面散热、失效短路等优点在高压大功率电力电子装备中得到广泛应用，这必将对压接式IGBT器件的设计可靠性提出很高的要求。然而不同于常规焊接式IGBT器件，压接式IGBT器件内部结构复杂，材料属性不一，其内部主要由铜层、钼层、IGBT芯片、银片等多种材料压接构成。器件内部各层材料的性能、尺寸等因素导致压接式IGBT器件设计可靠性存在较大差异，最终影响电力电子装备的使用寿命。因此，如何准确分析压接式IGBT器件的可靠性，对掌握压接式IGBT器件内部的薄弱环节，提高其可靠性设计水平以及电力电子设备的可靠运行水平具有重要现实意义。压接式IGBT器件可靠性与其内部组成材料的疲劳寿命密切相关，现有涉及压接式IGBT器件的可靠性分析大都基于数据统计，很少涉及基于物理模型的可靠性分析，有涉及物理分析的也大都仅分析芯片，对内部其他各层材料的疲劳寿命几乎没有涉及，然而器件内部各层材料的疲劳寿命很大程度上也影响IGBT器件整体的可靠性水平。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种计及内部材料疲劳寿命的压接式IGBT器件可靠性计算方法，能够更加全面准确的评估压接式IGBT器件的可靠性。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种计及内部材料疲劳寿命的压接式IGBT器件可靠性计算方法，该方法包含如下步骤：S1：建立压接式IGBT器件的几何模型，根据压接式IGBT器件的运行工况设置有限元仿真条件；S2：通过仿真得到各层材料承受的疲劳强度，提取各层材料的疲劳属性参数，计算各层材料疲劳失效的循环次数；S3：计算压接式IGBT器件中各层材料的疲劳寿命和故障率，建立压接式IGBT器件的可靠性计算模型，获取压接式IGBT器件的可靠性指标。进一步，步骤S1中所述压接式IGBT器件的几何模型的结构包含从上至下依次层叠设置的铜盖板、集电极钼层、IGBT芯片、发射极钼层、银垫片和铜柱，且所述铜盖板、集电极钼层、IGBT芯片、发射极钼层、银垫片、铜柱与栅极弹簧通过外部压力封装形成单芯片压接式IGBT器件。进一步，步骤S1具体为：S11：设置各层材料的对比材料参数，包含铜盖板、集电极钼层、IGBT芯片、发射极钼层、银垫片和铜柱的热膨胀系数、杨氏模量和泊松比；S12：根据压接式IGBT器件的运行工况设置压接式IGBT器件的机-热-电物理场参数与边界条件；S13：对压接式IGBT器件进行有限元建模网格剖分。进一步，步骤S2中计算各层材料疲劳失效的循环次数为，其中，Nf为材料在长期循环载荷作用下疲劳失效的循环次数，k为材料老化后对IGBT器件可靠性的影响系数，σf为材料的疲劳强度，σc为材料的拉伸强度，m为模型参数，通过材料的循环载荷实验数据拟合得到。进一步，步骤S3中各层材料的疲劳寿命为：ti＝Nf.i·T其中，ti为材料i的疲劳寿命，Nf.i为材料i在长期循环载荷作用下疲劳失效的循环次数，T为器件功率循环周期时间；步骤S3中各层材料的故障率为：其中，λi为材料i的故障率。进一步，步骤S3中压接式IGBT器件的可靠性计算模型为：λ＝∑λi其中，λ为压接式IGBT器件的故障率。本专利技术的有益效果在于：本专利技术方法通过充分考虑器件内部铜层、钼层、IGBT芯片等材料属性以及器件的运行工况，搭建了压接式IGBT的有限元仿真模型，有利于进一步研究压接式IGBT的可靠性；通过提取各层材料承受的疲劳强度和其他疲劳属性参数，得到每层材料的失效循环次数、疲劳寿命和故障率，大大提高了压接式IGBT器件可靠性计算的准确性；通过分析压接式IGBT器件各层材料间的可靠性关系，得到压接式IGBT的可靠性指标表达式，形成计及内部材料疲劳寿命的压接式IGBT器件可靠性计算方法，可广泛用于压接式封装结构的IGBT器件可靠性评估。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图进行说明：图1为压接式IGBT器件结构图；图2为压接式IGBT器件可靠性评估流程图。具体实施方式下面将结合附图，对本专利技术的优选实施例进行详细的描述。实施例1：图1为压接式IGBT器件结构图，图2为压接式IGBT器件可靠性评估流程图。如图所示，其中：本专利技术方法包括以下步骤：1)建立压接式IGBT器件的几何模型，根据压接式IGBT器件的运行工况设置有限元仿真条件；2)通过仿真得到每层材料承受的疲劳强度，提取其疲劳属性参数，计算每层材料疲劳失效的循环次数；3)计算器件中每层材料的疲劳寿命和故障率，建立单芯片压接式IGBT器件的可靠性计算模型，获取压接式IGBT器件故障率等可靠性指标。压接式IGBT器件几何模型结构包括铜盖板1、集电极钼层2、IGBT芯片3、发射极钼层4、银垫片5和铜柱6。铜盖板1、集电极钼层2、IGBT芯片3、发射极钼层4、银垫片5、铜柱6和栅极弹簧通过外部压力封装形成一个单芯片压接式IGBT器件。压接式IGBT器件有限元仿真设置为：1)设置各层材料的相对材料参数，包含铜盖板1、集电极钼层2、IGBT芯片3、发射极钼层4、银垫片5和铜柱6的热膨胀系数、杨氏模量和泊松比；2)根据器件的运行工况设置压接式IGBT器件的夹具压力、环境温度等机-热-电物理场参数与边界条件；3)对压接式IGBT器件进行有限元建模网格剖分；压接式IGBT器件材料i疲劳失效的循环次数为：其中，Nf为材料i在长期循环载荷作用下疲劳失效的循环次数，k为材料老化后对IGBT器件可靠性的影响系数，σf为材料的疲劳强度，σc为材料的拉伸强度，m为模型参数，通过材料的循环载荷实验数据拟合得到。压接式IGBT器件材料i的疲劳寿命(年)为：ti＝Nf.i·T其中，下标i表示组成材料i，Nf为材料i在长期循环载荷作用下疲劳失效的循环次数，T为器件功率循环周期时间。压接式IGBT器件材料i的故障率(次/年)为：其中，下标i表示组成材料i，ti为材料i的疲劳寿命。压接式IGBT器件各层材料呈可靠性串联关系，任一层材料失效，将导致整个IGBT器件失效。则压接式IGBT器件的故障率(次/年)为：λ＝∑λi其中，下标i表示组成材料i，∑λi表示所有组成材料的故障率之和。实施例2：下面给出一个具体的实施例，某压接式IGBT器件内部结构如图1所示。IGBT器件内部由铜盖板1、集电极钼层2、IGBT芯片3、发射极钼层4、银垫片5和铜柱6构成，他们的热膨胀系数依次为：17e-6K-1、4.8e-6K-1、2.6e-6K-1、4.8e-6K-1、18.9e-6K-1和17e-6K-1，电导率依次为：5.998e7S/m、1.89e7S/m、90.404S/m、1.89e7S/m、61.6e6S/m、和5.998e7S/m。器件的运行工况设置为：夹具压力1200N，环境温度25℃，电流50A。参照图2具体说明压接式IGBT器件可靠性计算方法，具体步骤如下：1)建立压接式IGBT器件的几何模型，根据压接式IGBT器件的运行工况设置有限元仿真条件；2)通过仿真得到每层材料承受的疲劳强度，提取其疲劳属性参数，计算每层材料疲劳失效的循环次数；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种计及内部材料疲劳寿命的压接式IGBT器件可靠性计算方法，其特征在于：该方法包含如下步骤：S1：建立压接式IGBT器件的几何模型，根据压接式IGBT器件的运行工况设置有限元仿真条件；S2：通过仿真得到各层材料承受的疲劳强度，提取各层材料的疲劳属性参数，计算各层材料疲劳失效的循环次数；S3：计算压接式IGBT器件中各层材料的疲劳寿命和故障率，建立压接式IGBT器件的可靠性计算模型，获取压接式IGBT器件的可靠性指标。

【技术特征摘要】
1.一种计及内部材料疲劳寿命的压接式IGBT器件可靠性计算方法，其特征在于：该方法包含如下步骤：S1：建立压接式IGBT器件的几何模型，根据压接式IGBT器件的运行工况设置有限元仿真条件；S2：通过仿真得到各层材料承受的疲劳强度，提取各层材料的疲劳属性参数，计算各层材料疲劳失效的循环次数；S3：计算压接式IGBT器件中各层材料的疲劳寿命和故障率，建立压接式IGBT器件的可靠性计算模型，获取压接式IGBT器件的可靠性指标。2.根据权利要求1所述的一种计及内部材料疲劳寿命的压接式IGBT器件可靠性计算方法，其特征在于：步骤S1中所述压接式IGBT器件的几何模型的结构包含从上至下依次层叠设置的铜盖板、集电极钼层、IGBT芯片、发射极钼层、银垫片和铜柱，且所述铜盖板、集电极钼层、IGBT芯片、发射极钼层、银垫片、铜柱与栅极弹簧通过外部压力封装形成单芯片压接式IGBT器件。3.根据权利要求2所述的一种计及内部材料疲劳寿命的压接式IGBT器件可靠性计算方法，其特征在于：步骤S1具体为：S11：设置各层材料的对比材料参数，包含铜盖板、集电极钼层、IGBT芯片、发射极钼层、银垫片和铜柱的热膨胀系数、杨氏模量和泊松比；S12：根据压接式IGBT器件的运行工况设置压接式IGBT器件...

【专利技术属性】
技术研发人员：李辉，邓吉利，姚然，赖伟，郑媚媚，龙海洋，何蓓，李金元，李尧圣，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50