一种基于多疲劳模式耦合的功率半导体器件寿命预测方法技术

本发明专利技术涉及一种基于多疲劳模式耦合的功率半导体器件寿命预测方法，针对功率半导体器件不同疲劳模式建立寿命预测模型；获得功率半导体器件不同疲劳失效模式下的疲劳寿命模型参数数据并带入寿命预测模型中；建立功率半导体器件电热耦合模型获取电热循环工况参数；将获取的电热循环工况参数，代入中寿命预测模型中，计算不同疲劳失效模式对应的疲劳寿命；根据疲劳寿命对电热耦合模型结壳热阻和导通电阻进行退化修正。不仅可以判断导致器件最终失效的疲劳模式，输出对应的疲劳寿命，而且还可以对器件服役过程中的热阻/导通电阻等参数的动态退化过程进行仿真提取，为功率半导体器件长期运行可靠性评估提供有效指导。长期运行可靠性评估提供有效指导。长期运行可靠性评估提供有效指导。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多疲劳模式耦合的功率半导体器件寿命预测方法


[0001]本专利技术属于电力电子器件与装置可靠性
，具体涉及一种基于多疲劳模式耦合的功率半导体器件寿命预测方法。

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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多疲劳模式耦合的功率半导体器件寿命预测方法，其特征在于：包括如下步骤：1)结合材料疲劳理论和功率半导体器件工作原理，针对功率半导体器件不同疲劳模式建立寿命预测模型；2)根据功率半导体器件型号，搭建加速寿命试验平台，在不同工况下分别针对功率半导体器件不同疲劳模式开展加速寿命考核，获得功率半导体器件不同疲劳失效模式下的疲劳寿命模型参数数据并带入步骤1)中的寿命预测模型中；同时，建立功率半导体器件电热耦合模型获取电热循环工况参数；3)将步骤2)获取的电热循环工况参数，代入步骤2)中寿命预测模型中，计算不同疲劳失效模式对应的疲劳寿命；根据疲劳寿命对电热耦合模型结壳热阻和导通电阻进行退化修正。2.根据权利要求1所述基于多疲劳模式耦合的功率半导体器件寿命预测方法，其特征在于：所述步骤1)中，寿命预测模型包括焊料疲劳寿命模型和键丝疲劳寿命模型；焊料疲劳寿命模型：N
f_solder
＝A
f_solder
·
(ΔT
j
)^(α
f_solder
)
·
exp(
‑
(E
f_solder
)/T
jm
)
·
(t
on
)^(β
f_solder
)
ꢀꢀꢀꢀ
(5)N
i_solder
＝A
i_solder
·
(ΔT
j
)^(α
i_solder
)
·
exp(
‑
(E
i_solder
)/T
jm
)
·
(t
on
)^(β
i_solder
)
ꢀꢀꢀ
(5a)N
p_solder
＝N
f_solder
‑
N
i_solder
ꢀꢀꢀ
(5b)式中，N
i_solder
、N
p_solder
和N
f_solder
分别为焊料疲劳萌生寿命、焊料疲劳扩展寿命和焊料总疲劳寿命，ΔT
j
、T
jm
和t
on
分别为结温波动幅值、平均结温和加载时间，A
f_solder
、α
f_solder
、E
f_solder
和β
f_solder
均为焊料总疲劳寿命模型参数，A
i_solder
、α
i_solder
、E
i_solder
和β
i_solder
均为焊料疲劳萌生寿命模型参数；键丝疲劳寿命模型：N
f_wire
＝A
f_wire
·
{a
·
I
c2
/[1+d
·
exp(
‑
t
on
)]+b
·
ΔT
j
}^(α
f_wire
)
ꢀꢀꢀ
(6)N
i_wire
＝A
i_wire
·
{a
·
I
c2
/[1+d
·
exp(
‑
t
on
)]+b
·
ΔT
j
}^(α
i_wire
)
ꢀꢀꢀ
(6a)N
p_wire
＝N
f_wire
‑
N
i_wire
ꢀꢀꢀ
(6b)式中，N
f_wire
、N
i_wire
和N
p_wire
分别为键丝总疲劳寿命、键丝疲劳萌生寿命和疲劳扩展寿命，I
c2
/[1+d
·
exp(
‑
t
on
)]为键丝电阻热，d为键丝电阻热的时间相关系数，a为键丝电阻热权重系数、b为结温权重系数，A
f_wire
和α
f_wire
均为键丝疲劳总寿命模型参数，A
i_wire
和α
i_wire
均为键丝疲劳萌生寿命模型参数，I
C
为导通电流，ΔT
j
和t
on
分别为IGBT结温波动幅值和加载时间。3.根据权利要求2所示基于多疲劳模式耦合的功率半导体器件寿命预测方法，其特征在于：所述步骤2)中，获得功率半导体器件不同疲劳失效模式下的寿命预测模型参数数据包括焊料总疲劳寿命模型参数、焊料疲劳萌生寿命模型参数、键丝疲劳总寿命模型参数和键丝疲劳萌生寿命模型参数。4.根据权利要求2所示基于多疲劳模式耦合的功率半导体器件寿命预测方法，其特征在于：所述步骤2)中，建立功率半导体器件电热耦合模型根据初始器件结壳热阻R
thjc_0
、导通电阻R
on_0
获取电热循环工况参数，电热循环工况参数包括结温波动幅值ΔT
j
、最高结温T
jm
、加载时间t
on
和导通电流I
c
。5.根据权利要求4所示基于多疲劳模式耦合的功率半导体器件寿命预测方法，其特征
在于：所述步骤3)具体过程为：在热循环间隔Δn
k
即设为第k迭代步内，功率半导体器件结壳热阻和导通电阻参数保持不变，将电热循环工况参数代入式(5)和式(6)中分别计算第k迭代...

【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，熊又星，杨之慧，胡泊，
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：