一种基于失效物理的IGBT模块可靠性分析方法技术

本发明专利技术公开一种基于失效物理的IGBT模块可靠性分析方法，包括：根据IGBT模块的实际尺寸建立有限元模型，并在Spaceclaim中对IGBT模块模型进行合理简化；根据IGBT模块所处的环境剖面，在Icepak中进行相应的温度循环载荷设置，完成温度场分析；进行热

【技术实现步骤摘要】
一种基于失效物理的IGBT模块可靠性分析方法


[0001]本专利技术属于功率电子元器件可靠性分析领域，具体涉及一种基于失效物理的IGBT模块可靠性分析方法。

技术介绍

[0002]随着功率半导体新结构和新工艺的应用，IGBT模块的电流密度和耐压等级在不断增大，体积越来越小，而其所承受的电学、力学和热学载荷却越来越重。IGBT模块在运行时会产生较大的温度波动，温度升高会造成芯片工作性能下降甚至烧毁；IGBT封装模块随着工作温度的变化会在内部产生热应力，热应力过大或分布不均极易造成芯片与陶瓷层的断裂或封装材料疲劳失效，IGBT模块的剖面结构示意图如图2所示。因此，IGBT模块的热疲劳寿命预测问题已经被提到研究的前沿。
[0003]根据调查研究，IGBT模块55％的失效是由温度引起的，20％的失效是由振动和冲击引起的，温度对寿命的影响最大。目前对IGBT模块可靠性问题的研究主要集中在功率循环引起的热疲劳失效分析上，然而，IGBT模块受复杂环境的影响，在其寿命周期内，通常遇到多种失效因素共同作用导致的产品失效。振动循环和冲击载荷是在IGBT模块使用中不可避免受到的影响，IGBT模块在设备受到剧烈振动作用下会发生弯曲形变，在IGBT模块中产生交变应力，而更严重的情况是发生在温度循环和随机振动同时作用的时候，此时IGBT模块会产生裂纹并快速扩展，导致IGBT模块加速失效，导致IGBT模块的寿命大幅度降低。
[0004]传统的寿命预测技术采用数理统计的思想，在电子产品使用中的失效数据进行统计拟合，得到寿命预测模型。但随着产品设计技术的高速发展，基于数理统计方法的预测数据更新速度往往滞后于产品的更新速度，因此就暴露出了在寿命预测的过程中预测结果不准确的问题。而利用加速疲劳失效试验的方法对IGBT模块进行失效研究所需的时间和花费极大。

技术实现思路

[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于失效物理的IGBT模块可靠性分析方法，包括以下步骤：
[0006]步骤一，根据IGBT模块的实际尺寸建立IGBT模块的有限元模型；
[0007]步骤二，确定IGBT模块所处的环境剖面，包括温度剖面及随机振动剖面；
[0008]步骤三，通过ANSYS Icepak对步骤一得到的IGBT模块模型进行温度场分析；
[0009]步骤四，将步骤三中得到的温度场结果导入ANSYS Workbench Static Structure中进行热
‑
结构耦合分析，得到IGBT模块各位置的应力应变结果；
[0010]步骤五，将步骤四中得到的应力应变结果代入相应的热失效物理模型中，得到该温度剖面下的疲劳损伤；
[0011]步骤六，将温度循环离散为温度点，通过ANSYS软件对不同温度点下的IGBT模块进行振动应力仿真；
[0012]步骤七，将步骤六中得到的应力应变结果代入相应的振动失效物理模型中，得到该温度点下的随机振动疲劳损伤，然后利用渐进损伤叠加方法得到该随机振动剖面下的疲劳损伤；
[0013]步骤八，采用Miner线性损伤累计方法得到总的疲劳累计损伤值，完成对IGBT模块的可靠性分析。
[0014]进一步地，所述步骤一还包括：在Spaceclaim中对IGBT模块模型进行简化，最终得到的IGBT模块模型分为六部分：键合线、芯片、芯片焊料层、DBC层、基板焊料层及基板，其中DBC层由上下铜层以及中间的陶瓷层组成。
[0015]进一步地，所述步骤二包括：根据IGBT模块所处的实际工况，并综合考虑IGBT模块的散热和环境，做出对应的温度剖面，根据IGBT模块实际承受的随机振动情况做出对应的振动剖面；温度剖面包括起始温度、参考温度、最高温度、最低温度，以及温度上升、下降和停留在最高和最低温度的持续时间；振动剖面包括相应的加速度功率谱密度。
[0016]进一步地，步骤三在Icepak中导入步骤一中建立的IGBT模块模型，设置模型各部分的材料参数，并根据步骤二中得到的温度剖面设置相应的温度循环载荷，利用Icepak中软件中的温度边界设置命令，设置IGBT模块与空气的对流换热系数，求解出温度循环下IGBT模块的温度分布。
[0017]进一步地，步骤四具体为在ANSYS Workbench中将Icepak与Static Structure耦合，将步骤三中得到的温度场结果导入Static Structure中进行热
‑
结构耦合分析，得到IGBT模块各位置的应力应变结果。
[0018]进一步地，步骤五中将步骤四中得到的应力应变结果代入相应的失效物理模型中，得到该温度剖面下的寿命损伤，热失效物理模型的具体数学表达式如下：
[0019][0020]其中，平均应力σ
m
＝(σ
min
+σ
max
)/2，σ
min
和σ
max
分别为截取的某段循环过程中三个主应力的最大值和最小值；
[0021]Δε为应变范围；Δε
e
为弹性应变范围；Δε
p
为塑性应变范围；N
f
为温度循环周期数；E为弹性模量；c为疲劳延性指数，
‑
0.6；b为疲劳强度指数，
‑
0.12；σ
′
f
为疲劳强度系数，σ'
f
＝3.5σ
f
；ε'
f
为疲劳延性系数，ε'
f
＝ε
f0.6
；σ
f
为断裂强度，σ
f
＝σb(1+Ψ)；ε
f
为断裂延性，ε
f
＝
‑
ln(1
‑
Ψ)；σ
b
为抗拉强度；Ψ为断面收缩率；
[0022]将疲劳常数代入后，即可得相应的通用表达式：
[0023][0024]式中的应变范围Δε与平均应力σ
m
由步骤四得出；抗拉强度σ
b
和断面收缩率Ψ通过查阅材料数据手册得到，即可算出温度循环周期数N
th
＝N
f
，温度循环引起的疲劳损伤值D
th
可由下式得到：
[0025][0026]其中n
th
为实际热循环周次，即在Icepak中设置的温度循环周期数。
[0027]进一步地，步骤六具体为：将温度循环离散为温度点，包括最高温度，最低温度，温
度上升过程以及温度下降过程，通过ANSYS软件对不同温度点下的IGBT模块进行预应力模态分析，即将步骤四中的结果导入至ANSYS Modal进行模态分析，完成模态分析后再将其结果导入ANSYS Random Vibration中进行随机振动分析，得到该温度点随机振动载荷下的振动应力应变仿真结果。
[0028]进一步地，步骤七中将步骤六中得到的某一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于失效物理的IGBT模块可靠性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，根据IGBT模块的实际尺寸建立IGBT模块的有限元模型；步骤二，确定IGBT模块所处的环境剖面，所述环境剖面包括温度剖面及随机振动剖面；步骤三，通过ANSYS Icepak对步骤一得到的IGBT模块模型进行温度场分析；步骤四，将步骤三中得到的温度场结果导入ANSYS Workbench Static Structure中进行热
‑
结构耦合分析，得到IGBT模块各位置的应力应变结果；步骤五，将步骤四中得到的应力应变结果代入相应的热失效物理模型中，得到该温度剖面下的疲劳损伤；步骤六，将温度循环离散为温度点，通过ANSYS软件对不同温度点下的IGBT模块进行振动应力仿真；步骤七，将步骤六中得到的振动应力仿真结果代入相应的振动失效物理模型中，得到该温度点下的随机振动疲劳损伤，然后利用渐进损伤叠加方法得到该随机振动剖面下的疲劳损伤；步骤八，采用Miner线性损伤累计方法得到总的疲劳累计损伤值，完成对IGBT模块的可靠性分析。2.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的IGBT模块可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤一还包括：在Spaceclaim中对IGBT模块模型进行简化，简化后的IGBT模块模型包括键合线、芯片、芯片焊料层、DBC层、基板焊料层及基板，所述DBC层由上下铜层及中间的陶瓷层组成。3.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的IGBT模块可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤二包括：根据IGBT模块所处的实际工况，并综合考虑IGBT模块的散热和环境，做出对应的温度剖面，根据IGBT模块实际承受的随机振动情况做出对应的振动剖面；所述温度剖面包括起始温度、参考温度、最高温度、最低温度，以及温度上升、下降和停留在最高和最低温度的持续时间；所述振动剖面包括加速度功率谱密度。4.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的IGBT模块可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤三在Icepak中导入所述步骤一中建立的IGBT模块模型，设置模型各部分的材料参数，并根据所述步骤二中得到的温度剖面设置相应的温度循环载荷，利用Icepak中软件中的温度边界设置命令，设置IGBT模块与空气的对流换热系数，求解出温度循环下IGBT模块的温度分布。5.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的IGBT模块可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤四具体为：在ANSYS Workbench中将Icepak与Static Structure耦合，将所述步骤三中得到的温度场结果导入Static Structure中进行热
‑
结构耦合分析，得到IGBT模块各位置的应力应变结果。6.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的IGBT模块可靠性分析方法，其特征在于，步骤五中将步骤四中得到的应力应变结果代入相应的热失效物理模型中，得到该温度剖面下的寿命损伤，所述热失效物理模型的数学表达式如下：
其中，平均应力σ
m
＝(σ
min
+σ
max
)/2，σ
min
和σ
max
分别为截取的某段循环过程中三个主应力的最大值和最小值；Δε为应变范围；Δε
e
为弹性应变范围；Δε
p
为塑性应变范围；N
f
为温度循环周期数；E为弹性模量；c为疲劳延性指数，
‑
0.6；b为疲劳强度指数，
‑
0.12；σ
′
f
为疲劳强度系数，σ'
f
＝3.5σ
f
；ε'
f
为疲劳延性系数，ε'...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁宇波，葛雪峰，史明明，费骏韬，刘瑞煌，缪惠宇，张宸宇，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司江苏省电力试验研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：