一种压接型IGBT器件微动磨损失效演化的数值模拟方法技术

本发明专利技术涉及一种压接型IGBT器件微动磨损失效演化的数值模拟方法，属于半导体器件领域。该建模方法包括压接型IGBT器件微动磨损失效模拟，建立含接触层微动磨损的压接型IGBT器件等效模型，通过设置接触面磨损损耗，进而模拟压接型IGBT器件微动磨损失效过程；压接型IGBT器件有限元建模，建立压接型IGBT器件结构模型，其中IGBT芯片包含铝镀层，设置微动磨损深度超过IGBT芯片表面铝镀层厚度，引起栅氧层失效作为仿真失效断点。本发明专利技术通过设置接触面磨损损耗，模拟了压接型IGBT器件在微动磨损失效动态过程中特征参数的变化。

【技术实现步骤摘要】
一种压接型IGBT器件微动磨损失效演化的数值模拟方法
本专利技术属于半导体器件领域，涉及一种压接型IGBT器件微动磨损失效演化的数值模拟方法。
技术介绍
现有压接型IGBT器件失效分析主要采用失效数据统计方法往往受限于测试样本数量，且失效机理大都仅在单一应力下开展研究，难以分析压接型IGBT器件微动磨损失效老化过程中性能参数变化，而压接型IGBT器件的微动磨损老化过程对器件的优化设计和系统可靠性运行至关重要。目前，压接型IGBT器件微动磨损失效分析主要基于器件功率循环实验结果，在压接型IGBT器件多物理场模拟方面，主要分析器件在应用工况下的应力分布，通过经典寿命公式对器件薄弱部位的疲劳失效进行了分析，但难以模拟压接型IGBT器件微动磨损老化过程和特征参数变化。因此，考虑压接型IGBT器件内接触面磨损损耗，利用有限元法模拟压接型IGBT器件微动磨损失效过程，对柔性直流换流阀用压接型IGBT器件的可靠运行和状态监测具有重要意义。现有压接型IGBT器件微动磨损失效分析侧重失效实验结果、失效物理机理。但是在压接型IGBT器件微动磨损失效过程中，器件内接触面表面受循环压力与位移的影响存在磨损疲劳，导致接触面相对粗糙度、相对斜率发生变化，进而影响压接型IGBT器件性能加速微动磨损失效老化过程，是压接型IGBT器件在微动磨损老化过程中特征参数发生变化。本专利技术基于该背景下，针对压接型IGBT器件微动磨损老化过程中接触面磨损的现象，提出一种压接型IGBT器件微动磨损失效演化的数值模拟计算方法。
技术实现思路
<br>有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种压接型IGBT器件微动磨损失效演化的数值模拟方法。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种压接型IGBT器件微动磨损失效演化的数值模拟方法，该方法包括如下步骤：S1：建立压接型IGBT器件有限元模型；S2：设置压接型IGBT器件接触层参数；S3：建立压接型IGBT器件接触层磨损损耗模型；S4：将压接型IGBT器件多物理场与微动磨损进行耦合；S5：计算不同循环次数下器件内接触面粗糙度、斜率变化，设置压接型IGBT器件处于不同微动磨损程度；S6：建立压接型IGBT器件微动磨损失效等效模型。可选的，所述压接型IGBT器件内部包括集电极铜板、发射极/集电极钼层、IGBT芯片、银垫片、栅极弹针、PEEK外壳、PCB驱动板和底层凸台，通过外部施加压力把内部各层材料连接在一起；所述电极铜板、发射极/集电极钼层、IGBT芯片、银垫片和底层凸台表面都存在一定粗糙度、斜率；所述电极铜板、发射极/集电极钼层、IGBT芯片、银垫片和栅极弹针都安置在PEEK外壳内，通过外部压力安装在底层凸台上；所述IGBT芯片包含有源区、集电极区和栅驱动区的表面均镀有铝金属层；所述PCB驱动板处于PEEK下层，安装在底层凸台底部，外置端头连接驱动器。可选的，所述压接型IGBT器件内存在5个接触面，分别为集电极铜板与集电极钼层接触面、集电极钼层与IGBT芯片接触面、IGBT芯片与发射极钼层接触面、发射极钼层与银垫片接触面、银垫片与凸台接触面；所述5个接触面表面都存在相对粗糙度和相对斜率。可选的，所述压接型IGBT器件在发生微动磨损后，接触面表面发生磨损损耗，使接触面相对粗糙度会增加，进而使接触面相对斜率增加；所述5个接触面在功率循环中发生磨损损耗，其相对粗糙度和相对斜率微动磨损换算公式为：lN＝lN-1+Δlwm＝0.152·σ0.4上式基于Archard损耗模型、Tanner公式计算了N个循环周期后，接触面相对粗糙度、相对斜率变化装；其中，lw是损耗深度，ρk是磨损概率，vs是接触材料间的相对滑动速度，P是接处压强，Hc为接触面间硬度较软材料微硬度，Δt是循环周期，lN-1是第N-1个周期后材料的磨损深度，σr_i为压接型IGBT器件内接触面相对粗糙度初始值，σh_i为压接型IGBT器件内接触面间硬度较大材料表面粗糙度初始值，σs_i为压接型IGBT器件内接触面间硬度较小材料表面粗糙度初始值；lN是第N个周期后材料的磨损深度，mh_i为压接型IGBT器件内接触面间硬度较大材料表面斜度初始值，ms_N为压接型IGBT器件内接触面间硬度较小材料表面斜度第N个周期后的值。可选的，所述压接型IGBT器件微动磨损失效与器件的热场、机械场通过接触热场、热膨胀系数、接触面磨损量计算存在耦合关系。可选的，所述压接型IGBT器件微动磨损失效过程中接触面相对粗糙度、相对斜率变化对器件接触热阻、接触电阻产生影响，使器件性能参数发生变化；所述5个接触面表面都存在接触热阻、接触电阻，接触热阻与接触电阻的换算公式为：器件的接触热阻、接触电阻受接触面相对粗糙度、相对斜率的影响，其中，hc是接触导热系数，he是接触电导率，ks是接触界面导热系数的调和平均数，qs是接触界面电导率的调和平均数，m是表面相对斜率，r是表面相对粗糙度，P为接触压力，Hc为材料微硬度。可选的，所述压接型IGBT器件微动磨损失效等效模型步骤S6具体为：S61：建立压接型IGBT器件有限元模型，设置芯片表面铝镀层厚度，器件内各接触层相对粗糙度、相对斜率，器件接触热阻、接触电阻计算公式；S62：设置芯片铝镀层厚度磨损极限值为仿真停止断点，考虑铝镀层磨损后导致栅氧化层失效为最终失效状态；S62：仿真计算器件在一次功率循环下接触面压强、相对位移变化规律；S63：计算一次功率循环后接触面相对粗糙度、相对斜率变化量；S64：接触面相对粗糙度、相对斜率迭代进入仿真前模型，进行一次功率循环仿真，并重复S62～S64；S65：判断IGBT芯片与发射极钼层表面相对粗糙度最大磨损深度是否大于芯片铝镀层厚度极限值，当磨损深度大于铝镀层厚度极限值时结束仿真；S66：提取不同功率循环过程后电压、结温等仿真结果，得到压接型IGBT器件微动磨损失效过程特征参数变化。本专利技术的有益效果在于：本专利技术达到模拟压接型IGBT器件微动磨损失效过程、状态监视压接型IGBT器件使用过程中微动磨损老化特征参数变化规律，反映压接型IGBT器件微动磨损失效老化过程。本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作优选的详细描述，其中：图1为本专利技术的建模方法的流程图；图2为接触面微动磨损机理与过程；图3为压接型IGBT器件微动磨损与物理场耦合关系图；图4为压接型IGBT器件接触面划分图5为IGBT芯片本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压接型IGBT器件微动磨损失效演化的数值模拟方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：/nS1：建立压接型IGBT器件有限元模型；/nS2：设置压接型IGBT器件接触层参数；/nS3：建立压接型IGBT器件接触层磨损损耗模型；/nS4：将压接型IGBT器件多物理场与微动磨损进行耦合；/nS5：计算不同循环次数下器件内接触面粗糙度、斜率变化，设置压接型IGBT器件处于不同微动磨损程度；/nS6：建立压接型IGBT器件微动磨损失效等效模型。/n

【技术特征摘要】
1.一种压接型IGBT器件微动磨损失效演化的数值模拟方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
S1：建立压接型IGBT器件有限元模型；
S2：设置压接型IGBT器件接触层参数；
S3：建立压接型IGBT器件接触层磨损损耗模型；
S4：将压接型IGBT器件多物理场与微动磨损进行耦合；
S5：计算不同循环次数下器件内接触面粗糙度、斜率变化，设置压接型IGBT器件处于不同微动磨损程度；
S6：建立压接型IGBT器件微动磨损失效等效模型。


2.根据权利要求1所述的一种压接型IGBT器件微动磨损失效演化的数值模拟方法，其特征在于：所述压接型IGBT器件内部包括集电极铜板、发射极/集电极钼层、IGBT芯片、银垫片、栅极弹针、PEEK外壳、PCB驱动板和底层凸台，通过外部施加压力把内部各层材料连接在一起；
所述电极铜板、发射极/集电极钼层、IGBT芯片、银垫片和底层凸台表面都存在一定粗糙度、斜率；
所述电极铜板、发射极/集电极钼层、IGBT芯片、银垫片和栅极弹针都安置在PEEK外壳内，通过外部压力安装在底层凸台上；
所述IGBT芯片包含有源区、集电极区和栅驱动区的表面均镀有铝金属层；
所述PCB驱动板处于PEEK下层，安装在底层凸台底部，外置端头连接驱动器。


3.根据权利要求2所述的一种压接型IGBT器件微动磨损失效演化的数值模拟方法，其特征在于：所述压接型IGBT器件内存在5个接触面，分别为集电极铜板与集电极钼层接触面、集电极钼层与IGBT芯片接触面、IGBT芯片与发射极钼层接触面、发射极钼层与银垫片接触面、银垫片与凸台接触面；
所述5个接触面表面都存在相对粗糙度和相对斜率。


4.根据权利要求3所述的一种压接型IGBT器件微动磨损失效演化的数值模拟方法，其特征在于：所述压接型IGBT器件在发生微动磨损后，接触面表面发生磨损损耗，使接触面相对粗糙度会增加，进而使接触面相对斜率增加；
所述5个接触面在功率循环中发生磨损损耗，其相对粗糙度和相对斜率微动磨损换算公式为：



lN＝lN-1+Δlw



m＝0.152·σ0.4



上式基于Archard损耗模型、Tanner公式计算了N个循环周期后，接触面相对粗糙度、相对斜率变化装；其中，lw是损耗深度，ρk是磨损概率，vs是接触材料间的相对滑动速度，P是接处压强，Hc为接触面间硬度较软材料微硬度，Δt是循环周期，lN-1是第N-1...

【专利技术属性】
技术研发人员：李辉，姚然，王晓，刘人宽，赖伟，余越，于仁泽，何蓓，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50