热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳裂纹扩展仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳裂纹扩展仿真方法，基于功率半导体器件电

【技术实现步骤摘要】
热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳裂纹扩展仿真方法


[0001]本专利技术属于电力电子器件与装置可靠性
，具体涉及一种热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳裂纹扩展仿真方法。

技术介绍

[0002]电能变换模块通过功率元器件组合使用，基于各种调控策略实现电能“数字化”存储和变换，其中以IGBT为代表的功率半导体器件是控制电能开断的关键器部件，功率半导体器件是影响装置整体性能和安全可靠运行的关键因素。统计数据显示，在功率变流器的各个部件中，约40％的变流器失效都是由于功率半导体引起的，而维修排除这些故障所消耗的时间占总故障的时间60％以上。功率半导体器件属于典型异质复合结构，其正常电气功能的实现依赖于封装结构完整性。由于器件各封装材料之间存在热膨胀系数差异，当器件内部温度场反复波动时，不同封装结构之间产生扰动的热应力。在扰动热应力长期作用下封装材料内部微观结构缺陷不断萌生聚集，材料电、热传导及绝缘机械等性能退化，导致器件内部电热环境恶化，保证器件安全运行的电热边界也将发生动态退变。在电力电子装置运行初期，通过安全设计功率半导体器件可满足安全运行需求，但是随着功率半导体器件服役时间增长，由于其电热安全边界发生动态退化，器件发生瞬态电热击穿失效的概率大大增加，对电能变换模块安全可靠运行造成了极大威胁，严重制约了电力电子装置性能提升与长期运行可靠性。由此可见，精确刻画长期服役过程中IGBT器件电热特性动态退化规律成为优化设计电能变换模块，以保障其安全可靠运行亟待解决的关键问题之一。
[0003]焊料层疲劳是功率半导体器件最主要的封装失效模式之一，焊料层作为功率半导体器件(包括模块式和压接式)内部重要的封装结构，承担电流传导、散热以及机械固定支持等作用，对器件实现完整电气功能必不可少。目前市售主流功率半导体器件产品最广泛采用的是锡基合金材料(包括锡/铅合金和锡/银 /铜无铅合金等系列)，该类材料具有熔点低、延展性好、润湿性和化学兼容性好等优点，但是也存在强度低、抗疲劳特性差等缺点。在功率半导体器件长期服役过程中扰动热应力作用使得焊料合金发生粘塑性变形，材料内部不断累积形变能，促使材料原子键断裂和微观缺陷萌生，微观缺陷聚集形成疲劳裂纹并持续扩展。由于疲劳裂纹破坏焊料层结构完整性，焊料电热传导能力和机械强度随之下降，特别是依靠自由电子和原子晶格振动(声子)传导机制的导热性能将受到严重影响，导致器件内部温度不断升高，而结温升高又进一步增加器件损耗，导致器件内部电热应力增加，加速焊料层疲劳进程，形成了自加速失效循环。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对上述技术问题，提供一种热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳裂纹扩展仿真方法，实现对功率半导体器件热循环过程中封装结构热失配导致的焊料疲劳裂纹扩展过程进行量化表征，旨在为动态评估功率半导体器件长期服役过程中电热特性退化规律提供技术支撑。
[0005]为实现上述目的，本专利技术所设计的热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳裂纹扩展仿真方法，具体过程为：
[0006]1)根据功率半导体器件的封装结构尺寸和焊料层的材料组成重构功率半导体器件几何模型，并将焊料层划分为若干个焊料单元格；
[0007]2)建立功率半导体器件电气模型
[0008]建立功率半导体器件电气模型，结合功率半导体器件实际工况，确定电路仿真参数和初始结温条件，并进行功率半导体器件损耗的仿真计算，实时提取功率半导体器件的损耗；
[0009]3)建立功率半导体器件电
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热
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力耦合模型
[0010]将功率半导体器件几何模型导入有限元仿真平台，根据功率半导体器件的类型和实际工况，确定传热边界条件及力学边界条件并进行热
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力耦合建模；结合传热边界条件、力学边界条件和步骤2)提取的损耗进行热
‑
力耦合有限元仿真计算，并提取器件芯片的平均温度、焊料单元格编号、焊料单元格三维位置坐标、焊料单元格传热系数矩阵、焊料单元格力学刚度系数矩阵和焊料单元格的粘塑性变形力学特征量；然后将器件芯片的平均温度反馈给电气模型，建立功率半导体器件的电
‑
热
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力耦合模型；
[0011]4)计算在一个仿真步增量内功率半导体器件所有焊料单元格的累积疲劳损伤；
[0012]5)基于每个焊料单元格的累积疲劳损伤，采取线性比例缩减原则修正步骤3)提取的每个焊料单元格的传热系数矩阵和力学刚度系数矩阵，并将修正后的每个焊料单元格的传热系数矩阵和力学刚度系数矩阵反馈回功率半导体器件热
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力耦合模型，更新热
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力耦合模型中的每个焊料单元格的传热系数矩阵和力学刚度系数矩阵，实现焊料层疲劳与功率半导体器件内部电、热、力多物理场耦合；
[0013]6)重复步骤4)～步骤5)进行循环迭代仿真，提取每一循环仿真步后焊料单元格的总累积疲劳损伤；当焊料单元格的总累积疲劳损伤达到预设阈值时判定该焊料单元格为完全疲劳失态单元格，否则为未完全疲劳失效单元格；结合步骤3)提取的焊料单元格编号及焊料单元格三维位置坐标可视化输出每一仿真步后焊料单元格的累积疲劳损伤失效状态分布情况，通过不同循环仿真步后焊料单元格的总累积疲劳损伤失效状态演变情况量化表征焊料疲劳裂纹扩展过程；当完全疲劳失效单元格面积占焊料层总面积比达到预设的失效阈值时，判定功率半导体器件因焊料层疲劳而完全失效，结束仿真循环。
[0014]进一步地，所述步骤3)中，粘塑性变形力学特征量包括粘塑性耗散能密度累积速率和粘塑性应变。
[0015]进一步地，所述步骤4)的具体过程为：
[0016]41)基于Miner线性累积疲劳损伤原理，则焊料单元格在Δn内累积疲劳损伤D增量定义为：
[0017][0018][0019]其中，k为仿真步的步计数，Δn为步增量，为焊料裂纹萌生疲劳损伤增量、
为焊料裂纹扩展疲劳损伤增量；
[0020]计算焊料单元格第k仿真步的累积疲劳损伤：
[0021][0022][0023]其中，为焊料第k仿真步后累积的总焊料裂纹萌生疲劳损伤、为焊料第k仿真步后累积的总焊料裂纹扩展疲劳损伤；
[0024]42)循环步骤41)计算所有的焊料单元格的的累积疲劳损伤。
[0025]进一步地，所述步骤5)中修正的具体过程为：
[0026]若焊料单元格的焊料裂纹扩展疲劳损伤大于0，下一循环仿真步前采取线性比例缩减原则将提取的焊料单元格的焊料传热系数矩阵[λ
k
]和力学刚度系数矩阵[E
k
]乘以修正系数并反馈回热
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应力耦合模型：
[0027][0028][0029]式中，[λ
k+1
]为下一循环仿真步焊料单元格的焊料传热系数矩阵、[E
k+1
]为下一循环仿真步焊料单元格的焊料力学刚度系数矩阵。
[0030]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳裂纹扩展仿真方法，其特征在于：所述仿真方法具体过程为：1)根据功率半导体器件的封装结构尺寸和焊料层的材料组成重构功率半导体器件几何模型，并将焊料层划分为若干个焊料单元格；2)建立功率半导体器件电气模型建立功率半导体器件电气模型，结合功率半导体器件实际工况，确定电路仿真参数和初始结温条件，并进行功率半导体器件损耗的仿真计算，实时提取功率半导体器件的损耗；3)建立功率半导体器件电
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热
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力耦合模型将功率半导体器件几何模型导入有限元仿真平台，根据功率半导体器件的类型和实际工况，确定传热边界条件及力学边界条件并进行热
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力耦合建模；结合传热边界条件、力学边界条件和步骤2)提取的损耗进行热
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力耦合有限元仿真计算，并提取器件芯片的平均温度、焊料单元格编号、焊料单元格三维位置坐标、焊料单元格传热系数矩阵、焊料单元格力学刚度系数矩阵和焊料单元格的粘塑性变形力学特征量；然后将器件芯片的平均温度反馈给电气模型，建立功率半导体器件的电
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热
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力耦合模型；4)计算在一个仿真步增量内功率半导体器件所有焊料单元格的累积疲劳损伤；5)基于每个焊料单元格的累积疲劳损伤，采取线性比例缩减原则修正步骤3)提取的每个焊料单元格的传热系数矩阵和力学刚度系数矩阵，并将修正后的每个焊料单元格的传热系数矩阵和力学刚度系数矩阵反馈回功率半导体器件热
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力耦合模型，更新热
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力耦合模型中的每个焊料单元格的传热系数矩阵和力学刚度系数矩阵，实现焊料层疲劳与功率半导体器件内部电、热、力多物理场耦合；6)重复步骤4)～步骤5)进行循环迭代仿真，提取每一循环仿真步后焊料单元格的总累积疲劳损伤；当焊料单元格的总累积疲劳损伤达到预设阈值时判定该焊料单元格为完全疲劳失...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄永乐，罗毅飞，肖飞，刘宾礼，唐欣，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：