基于裂纹长度扩展的功率器件剩余寿命预测方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于焊料层裂纹长度扩展的功率器件剩余寿命预测方法及系统，所述剩余寿命预测方法包括：建立有限元二维模型/有限元三维模型；将所述有限元二维模型/有限元三维模型中的芯片焊料层模型均分为K个单元格；依次执行第1老化阶段、第2老化阶段、

【技术实现步骤摘要】
基于裂纹长度扩展的功率器件剩余寿命预测方法及系统


[0001]本专利技术涉及一种针对功率半导体器件的剩余寿命在线预测方法，尤其涉及一种大面积焊料层裂纹逐级扩展失效过程的剩余寿命在线预测方法，属于功率半导体器件焊接可靠性评估


技术介绍

[0002]功率半导体器件广泛应用于智能电网、机车牵引、新能源发电以及电动汽车等领域。但是，长期的温度波动会导致功率器件的芯片焊料层出现空洞、裂纹萌生和扩展等问题，最终导致功率器件退化失效，影响整个系统性能，甚至导致整个系统失效，引发重大的安全事故。
[0003]针对上述问题，功率器件的剩余寿命预测方法不断发展。现有的针对功率器件的剩余寿命预测方法主要分为两种：基于数据驱动的预测方法和基于失效机理分析的预测方法。但是，现有的基于数据驱动的预测方法中，为了建立输入与输出间的映射关系，需要大量的试验老化数据进行优化训练，极大地提高了预测方法的时间成本；而现有的基于失效机理分析的预测方法常常简化了功率器件在老化失效过程的疲劳累积效应，无法准确描述焊料层实际的老化过程，使得对功率器件的剩余寿命预测精度较低，且一般也需要多组试验老化数据来拟合获取相关参数，耗时费力，此外该方法的构建多数与功率器件所属的产品类型相关，不具有通用性。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的问题是针对现有功率器件的剩余寿命预测中对预测时间和对预测精度的要求无法同时满足的问题，提供一种基于焊料层裂纹长度扩展的功率器件剩余寿命预测方法。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于芯片焊料层裂纹长度扩展的功率器件剩余寿命预测方法，定义第一直线(La)为在功率器件侧面上沿高度方向延伸、且将芯片层在所述功率器件侧面的面积均分的直线，所述功率器件侧面是由功率器件的高度、功率器件的长度/宽度构成的面；
[0006]所述功率器件剩余寿命预测方法包括：
[0007]A、根据功率器件的封装结构的材料和尺寸参数，建立与位于功率器件侧面上第一直线(La)一侧的结构对应的有限元二维模型/有限元三维模型；
[0008]所述有限元二维模型的两个维度分别对应功率器件的高度、功率器件的长度/宽度；
[0009]所述有限元三维模型中，其中两个维度分别对应功率器件的高度、功率器件的长度/宽度，另一个维度对应功率器件的宽度/长度；
[0010]所述有限元二维模型/有限元三维模型的仿真工作环境与实际试验中功率器件的工作环境一致；
[0011]沿着有限元二维模型/有限元三维模型中与功率器件长度/宽度方向对应的方向，将所述有限元二维模型/有限元三维模型中的芯片焊料层模型均分为K个单元格；
[0012]从芯片焊料层模型中与实际芯片焊料层端部对应的一端向芯片焊料层模型中与实际芯片焊料层长度/宽度中心对应的另一端，第1个单元格、第2个单元格、
……
、第K个单元格依次设置，10≤K≤100；
[0013]对所述有限元二维模型/有限元三维模型依次执行第1老化阶段、第2老化阶段、
……
、第S+1老化阶段，其中，焊料层裂纹长度随着失效的单元格数量增加而增大，第k老化阶段完成时刻为第k个单元格被消除的时刻，k＝1,2,
……
,S+1；
[0014]其中，S的取值满足下式：
[0015]R
th(S)
＜R
th_u％
≤R
th(S+1)
；
[0016][0017]其中，R
th(0)
为功率器件的初始结壳热阻，R
th(k)
为第k老化阶段完成时刻功率器件的结壳热阻，R
th_u％
为与预设百分比u％对应的结壳热阻，芯片焊料层失效时刻为结壳热阻达到R
th_u％
的时刻；
[0018]实时监测实际试验中功率器件的功率循环次数、与功率循环次数对应的功率器件的结壳热阻，从而得到功率循环次数与结壳热阻的对应关系；
[0019]当需要计算从当前功率器件的结壳热阻为R
x
的时刻到芯片焊料层失效时刻所需的功率循环次数L
x
时，则判断R
x
≥R
th(1)
是否成立，若判断结果为是，则判断当前功率器件的结壳热阻R
x
在区间[R
th(1)
,R
th(2)
)、[R
th(2)
,R
th(3)
)、
……
、[R
th(S)
,R
th(S+1)
)中的哪个区间中，否则继续监测；
[0020]若判断R
x
在区间(R
th(m)
,R
th(m+1)
]中，其中m为整数且1≤m≤S，则利用下式计算从功率器件的结壳热阻为R
x
的时刻到芯片焊料层失效的时刻所需的功率循环次数L
x
：
[0021][0022]其中：
[0023][0024][0025][0026][0027]其中，ΔN1是所述对应关系中与R
th(1)
对应的功率循环次数，ΔN
i
为第i老化阶段中
进行的功率循环次数，ΔW1为第1个单元格在第1老化阶段的每个功率循环损失的非弹性应变能密度，ΔW
i
为第i个单元格在第i老化阶段中的每个功率循环损失的非弹性应变能密度，ΔW
j,i
为第i个单元格在第j老化阶段中的每个功率循环损失的非弹性应变能密度，D
j,i
为第i个单元格在第j老化阶段累积的损伤，2≤i≤S+1。
[0028]本专利技术中，将芯片焊料层的失效过程分为多个老化阶段，从第1个老化阶段开始，每个老化阶段仅长度/宽度方向上的一个单元格失效。即从对有限元二维模型/有限元三维模型开始执行第1个功率循环即为执行第1老化阶段的第1个功率循环，当第1个单元格失效时，第1老化阶段结束。第1老化阶段结束的时刻也即为第2老化阶段开始的时刻。失效的单元格数量越多，焊料层裂纹长度越长。在建立的有限元二维模型/有限元三维模型中，可预先执行仿真过程，从而得到不同数量的单元格失效时(即对应不同老化阶段)对应的结壳热阻，且可根据结壳热阻初始值(即第1老化阶段开始时刻结壳热阻的值)、不同数量单元格失效时对应的结壳热阻得到芯片焊料层失效时所对应的失效的单元格数量。当实际试验进行时，监测实际试验中功率器件的功率循环次数、与功率循环次数对应的功率器件的结壳热阻，当需要确定功率器件的剩余寿命时，可将实际监测的结壳热阻与预先在有限元中的仿真结果进行对应，从而可确定当前功率器件的结壳热阻对应多少个失效的单元格，也可得到每老化阶段所对应的功率循环次数，结合各个单元格在各老化阶段消耗的非弹性应变能，即可预测得到功率器件的剩余寿命。
[0029]上述技术方案中：利用Cle本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于芯片焊料层裂纹长度扩展的功率器件剩余寿命预测方法，其特征在于：定义第一直线(La)为在功率器件侧面上沿高度方向延伸、且将芯片层在所述功率器件侧面的面积均分的直线，所述功率器件侧面是由功率器件的高度、功率器件的长度/宽度构成的面；所述功率器件剩余寿命预测方法包括：A、根据功率器件的封装结构的材料和尺寸参数，建立与位于功率器件侧面上第一直线(La)一侧的结构对应的有限元二维模型/有限元三维模型；所述有限元二维模型的两个维度分别对应功率器件的高度、功率器件的长度/宽度；所述有限元三维模型中，其中两个维度分别对应功率器件的高度、功率器件的长度/宽度，另一个维度对应功率器件的宽度/长度；所述有限元二维模型/有限元三维模型的仿真工作环境与实际试验中功率器件的工作环境一致；沿着有限元二维模型/有限元三维模型中与功率器件长度/宽度方向对应的方向，将所述有限元二维模型/有限元三维模型中的芯片焊料层模型均分为K个单元格；从芯片焊料层模型中与实际芯片焊料层端部对应的一端向芯片焊料层模型中与实际芯片焊料层长度/宽度中心对应的另一端，第1个单元格、第2个单元格、
……
、第K个单元格依次设置，10≤K≤100；对所述有限元二维模型/有限元三维模型依次执行第1老化阶段、第2老化阶段、
……
、第S+1老化阶段，其中，焊料层裂纹长度随着失效的单元格数量增加而增大，第k老化阶段完成时刻为第k个单元格被消除的时刻，k＝1,2,
……
,S+1；其中，S的取值满足下式：R
th(S)
＜R
th_u％
≤R
th(S+1)
；其中，R
th(0)
为功率器件的初始结壳热阻，R
th(k)
为第k老化阶段完成时刻功率器件的结壳热阻，R
th_u％
为与预设百分比u％对应的结壳热阻，芯片焊料层失效时刻为结壳热阻达到R
th_u％
的时刻；实时监测实际试验中功率器件的功率循环次数、与功率循环次数对应的功率器件的结壳热阻，从而得到功率循环次数与结壳热阻的对应关系；当需要计算从当前功率器件的结壳热阻为R
x
的时刻到芯片焊料层失效时刻所需的功率循环次数L
x
时，则判断R
x
≥R
th(1)
是否成立，若判断结果为是，则判断当前功率器件的结壳热阻R
x
在区间[R
th(1)
,R
...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨鑫，武新龙，衡可，叶俊杰，欧阳晓平，
申请(专利权)人：长沙半导体技术与应用创新研究院，
类型：发明
国别省市：