一种基于多物理场机车用IGBT焊料层空洞演化机理分析方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多物理场机车用IGBT焊料层空洞演化机理分析方法，首先根据对机车用IGBT模块焊料层进行CT扫描，统计结果显示不同服役里程数的IGBT模块焊料层空洞数量均服从泊松分布，且泊松分布方差λ值与器件服役里程数具有映射关系；基于空洞分布规律建立了机车用IGBT多物理场仿真模型和焊料层上下表面的应变数学描述，研究了随机空洞的演化诱因及规律；最后基于能量的疲劳寿命模型验证了空洞尺寸与演化速率的关系。本发明专利技术基于不同服役里程数的焊料层CT扫描结果，统计获得焊料层空洞分布规律；利用该统计规律建立机车用IGBT多物理场仿真模型以及焊料层蠕变的应变数学描述，研究得到空洞的演化机理及规律，为指导器件优化设计和主动运维提供支撑。器件优化设计和主动运维提供支撑。器件优化设计和主动运维提供支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多物理场机车用IGBT焊料层空洞演化机理分析方法


[0001]本专利技术涉及半导体
，具体为一种基于多物理场机车用IGBT焊料层空洞演化机理分析方法。

技术介绍

[0002]在铁路投资高位运营及运营里程不断增长的环境下，中国铁路机车保有量逐年增长，2018年中国铁路机车保有量为2.1万台，其中电力机车占比高达61.3％。牵引变流器作为机车关键部件，通过大功率绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)实现直、交流能量转换，达到对交流牵引电动机起动、制动、调速控制，其可靠性直接关系电力机车运行安全，然而由于机车启停、负载变化和封装材料属性不匹配等使得大功率IGBT失效机理不明，难以准确表征IGBT器件寿命的问题。同时，据株洲电力机车研究所调查表明，HXD1、HXD1C、HXD1D电力机车中IGBT器件失效占变流器故障比例分别为82％、71％、90％。究其原因，认为器件性能衰退和缺陷的产生、演化和失效的物理过程认识不清楚。因此，亟需开展机车用IGBT失效演化机理研究，为指导器件优化设本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多物理场机车用IGBT焊料层空洞演化机理分析方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：利用CT扫描测试获取焊料层扫描结果；步骤2：在Python中导入OpenCV库对所述扫描结果进行二值化处理，统计出不同空洞的尺寸；步骤3：对空洞不同尺寸进行划分，绘制出空洞数量分布图，呈现泊松分布规律；步骤4：结合机车用IGBT器件在COMSOL中建立多物理场模型，并利用内置JAVA编译器，在焊料层中生成符合统计结果的随机空洞；步骤5：搭建多物理场模型，进行多组不同随机空洞分布下的仿真，分析不同尺寸空洞下的应变与形变规律；步骤6：根据芯片与焊料层间热膨胀系数的差异，建立焊料层上下表面应变的数学描述关系。2.根据权利要求1所述的基于多物理场机车用IGBT焊料层空洞演化机理分析方法，其特征在于，所述步骤6具体包括：在IGBT模块运行过程中，模块功率损耗P通过各层材料传递至底板完成热传递过程，模块结温T
J
通过热阻、功率损耗以及壳温计算：T
J
＝P
×
Z
JC
+T
C
Z
JC
＝Z
die
+Z
D
‑
S
+Z
DBC
+Z
B
‑
S
+Z
base
其中，Z
JC
，Z
die
，Z
D
‑
S
，Z
DBC
，Z
B
‑
S
，Z
base
分别表示结壳、IGBT芯片、芯片焊料层、DBC、底板焊料层、基板的热阻；T
C
表示壳温；芯片的温度波动ΔT
d
与芯片焊料层的温度波动ΔT
ds
表示为：其中，ΔT
d
为芯片温度波动，ΔT
ds
芯片焊料层的温度波动，T<...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖伟，李涵锐，李辉，姚然，王晓，刘人宽，陈民铀，于凯，李洁，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：