压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型设计方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及功率半导体技术领域，公开了一种压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型设计方法及装置。通过对IGBT芯片最大应力和典型应力建立目标和约束的性能函数，考虑服役周期内应力平衡可靠性劣化构建时变可靠性优化模型，可以得到满足服役周期内可靠性要求的最优解，并且本发明专利技术方法步骤清晰，易于工程人员掌握并应用。从而提高了求解效率。从而提高了求解效率。从而提高了求解效率。

【技术实现步骤摘要】
压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型设计方法及装置


[0001]本专利技术涉及功率半导体
，具体而言，涉及一种压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型设计方法及装置。

技术介绍

[0002]绝缘栅双极型晶体管(insulate
‑
gate bipolar transistor，IGBT)作为典型的一类全控型电压驱动式功率半导体器件，已广泛应用于交通牵引、工业变频器及柔性直流输电等高压大容量电力电子领域。与传统焊接型IGBT相比，压接型IGBT具有双面散热、易于串联及可靠性高等优点，在高压、高功率密度应用中前景更佳。压接型IGBT器件通过外部压力使内部元件保持电气与机械连接，并在冷板与热源之间建立导热通路。压力过大会导致IGBT芯片碎裂，而压力过小会使得元件间接触热阻增大，芯片产生的热耗不能及时导出，最终导致芯片热失效。然而，芯片自发热及各元件材料热膨胀系数失配会导致IGBT内部应力失衡，元件间接触应力将决定其电气及热接触状况，从而造成电气性能劣化，进一步加剧温度、应力分布失衡状况。在实际工程中，IGBT的电流载荷随系统状态实时变化，系统中分布式电源和负荷是具有一定统计规律并伴有随机噪声的动态过程，工程上常采用随机过程进行描述。包含随机过程的电流载荷导致IGBT内部元件承受不断变化的电热应力，数值较大的内应力会造成元件累积损伤，从而大幅降低IGBT器件在服役期间的性能可靠性。所以，有必要研究涉及随机过程的IGBT应力平衡时变可靠性优化方法。
[0003]为提升压接型IGBT性能可靠性，研究者从失效机理、封装设计、可靠性分析、寿命预测等多个方面探索，已形成一系列重要的理论和技术。失效机理研究聚焦于IGBT多物理场耦合建模，如一种压接型IGBT器件微动磨损失效演化的数值模拟方法(CN202011478877.3)、一种压接式IGBT模块多物理场耦合仿真方法(CN20191050194.7)、模拟压接式IGBT器件失效短路机理的有限元建模方法(CN20171115832.9)。封装设计研究大都提出新的结构构型或实施结构尺寸优化，如一种子模块结构和压接式功率模块(CN20211153983.2)、一种用于压接式IGBT模块的弹性多孔结构电极(CN20181001339.1)、一种压接式IGBT器件结构优化设计方法(CN20191111632.4)。可靠性分析研究主要考虑失效模式串并联及相关性特征，如基于Copula函数的模块化多电平换流器可靠性分析方法(CN201910451018.6)、一种计及内部材料疲劳寿命的压接式IGBT器件可靠性计算方法(CN201810008176.X)、一种基于ANSYS的MMC子模块压接式IGBT短期失效分析方法(CN20191130480.6)。寿命预测研究关注故障出现后IGBT的剩余服役时间，如一种压接型IGBT模块不同位置故障下芯片寿命预测方法(CN202210833664.0)、一种高压直流新路器用压接式IGBT器件使用寿命等效计算方法(CN20221102368.2)、一种基于MMC换流阀应用工况的IGBT器件功率循环测评方法(CN20191039948.2)。
[0004]上述研究表明，压接型IGBT可靠性设计已引起了学术界和工程界的广泛关注。但对如何处理载荷和工况中的时变不确定性并构建有效压接型IGBT时变可靠性优化模型的研究存在不足。究其原因，关键技术难点是求解效率问题。时变可靠性优化涉及双层嵌套寻
优过程：外层对设计变量寻优，内层是时变可靠性分析。而时变可靠性分析本就是不确定性设计领域颇具挑战性的问题，其计算成本远超于静态可靠性分析。而嵌套优化需大数量的调用时变稳健性分析，对于耗时仿真嵌入的IGBT时变可靠性优化，将导致极为低下的求解效率。
[0005]为此，针对压接型IGBT器件结构设计，构建有效的时变可靠性优化模型，对于提升IGBT设计水平并开发服役周期内可靠的压接型IGBT产品，具有非常重要的工程意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术克服了现有技术的不足，提供一种压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型设计方法及装置，以解决现有技术中求解效率较低的问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案：
[0008]第一方面，本专利技术实施例提供了一种压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型设计方法，所述方法包括：
[0009]步骤(1)构建压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型；
[0010]其中，步骤(1)构建压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型，包括：
[0011]步骤(1.1)基于IGBT选取设计向量，其中，所述IGBT包含n个子模组、集电极、发射极、管壳，n具有n/4是一个整数的特征，所述n个子模组中第i子模组包括元件：第i个上钼片、第i个芯片、第i个银片、第i个下钼片，i表示1至n中任一个的序号，所述第i个银片的等效弹性模量记为X
i
，X
i
与边长、材料弹性模量之间的关系为：L
i
＝L0·
sqrt(X
i
/E0)，Li表示第i个银片的边长，L0表示第i个芯片的边长，E0表示材料弹性模量，sqrt表示平方根计算，所述选取设计向量包括选取等效弹性模量X
i
组成的设计向量X＝(X1,X2,...,X
i
,...,X
n
)为设计向量；
[0012]步骤(1.2)建立设计目标：f＝S
T
(X,U
i
)/S
U
(X,U
i
)，f表示目标函数，S
T
(X,U
i
)表示S
T
(X,P(t))的名义值，S
U
(X,U
i
)表示S
U
(X,P(t))的名义值，U
i
是U1,U2,...,U
i
,...,U
n
述组成的向量，其中，S
U
(X,P(t))为所述IGBT的芯片典型应力，S
T
(X,P(t))为所述IGBT的芯片最大应力，S
U
(X,P(t))和S
T
(X,P(t))为关于所述设计向量X与参数向量P(t)的函数，t表示服役周期[t0,t
e
]的任一时刻，写成t0表示所述服役周期的起始时刻，t
e
表示所述服役周期的结束时刻，所述参数向量P(t)用于表征服役周期内芯片的热耗；
[0013]步骤(1.3)建立约束，所述约束包括B
1T
≥B
1t
、B
2T
≥B
2t
，B
1t
表示最大应力约束的目标可靠性指标，B
2t
表示典型应力约束的目标可靠性指标，B
1T
表示最大应力约束时变可靠性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型设计方法，其特征在于，所述方法包括：步骤(1)构建压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型；其中，步骤(1)构建压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型，包括：步骤(1.1)基于IGBT选取设计向量，其中，所述IGBT包含n个子模组、集电极、发射极、管壳，n具有n/4是一个整数的特征，所述n个子模组中第i子模组包括元件：第i个上钼片、第i个芯片、第i个银片、第i个下钼片，i表示1至n中任一个的序号，所述第i个银片的等效弹性模量记为X
i
，X
i
与边长、材料弹性模量之间的关系为：L
i
＝L0·
sqrt(X
i
/E0)，Li表示第i个银片的边长，L0表示第i个芯片的边长，E0表示材料弹性模量，sqrt表示平方根计算，所述选取设计向量包括选取等效弹性模量X
i
组成的设计向量X＝(X1,X2,...,X
i
,...,X
n
)为设计向量；步骤(1.2)建立设计目标：f＝S
T
(X,U
i
)/S
U
(X,U
i
)，f表示目标函数，S
T
(X,U
i
)表示S
T
(X,P(t))的名义值，S
U
(X,U
i
)表示S
U
(X,P(t))的名义值，U
i
是U1,U2,...,U
i
,...,U
n
述组成的向量，其中，S
U
(X,P(t))为所述IGBT的芯片典型应力，S
T
(X,P(t))为所述IGBT的芯片最大应力，S
U
(X,P(t))和S
T
(X,P(t))为关于所述设计向量X与参数向量P(t)的函数，t表示服役周期[t0,t
e
]的任一时刻，写成t0表示所述服役周期的起始时刻，t
e
表示所述服役周期的结束时刻，所述参数向量P(t)用于表征服役周期内芯片的热耗；步骤(1.3)建立约束，所述约束包括B
1T
≥B
1t
、B
2T
≥B
2t
，B
1t
表示最大应力约束的目标可靠性指标，B
2t
表示典型应力约束的目标可靠性指标，B
1T
表示最大应力约束时变可靠性指标，B
2T
表示典型应力约束时变可靠性指标；步骤(1.4)构造应力平衡时变可靠性优化模型，即式一：maxf＝S
T
(X,U
i
)/S
U
(X,U
i
)s.t.B
1T
≥B
1t
,B
2T
≥B
2t
max表示最大化计算，s.t.表示约束计算，X
iL
表示X
i
的下边界，X
iR
表示X
i
的上边界，X
iL
和X
iR
根据工程经验给定，X
iL
的取值范围为[0.1E0，0.4E0]，X
iR
的取值范围为[0.5E0,E0]。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1.2)，包括：(1.2.1)建立参数向量P(t)＝(P1(t),P2(t),...,P
i
(t),...,P
n
(t))，P
i
(t)是所述参数向量的第i个元素，是指所述第i个芯片的热耗，P
i
(t)被描述成具有分布参数U
i
、V
i
、R
i
的随机过程，U
i
是P
i
(t)的均值，V
i
是P
i
(t)的标准差，R
i
(τ)是P
i
(t)的自相关函数，τ表示时间间隔；(1.2.2)定义性能函数，所述性能函数包括S
U
(X,P(t))、S
T
(X,P(t))，S
U
(X,P(t))为所述IGBT的芯片典型应力，S
T
(X,P(t))为所述IGBT的芯片最大应力，S
U
(X,P(t))和S
T
(X,P(t))为关于所述设计向量X与所述参数向量P(t)的函数；(1.2.3)构造设计目标：f＝S
T
(X,U
i
)/S
U
(X,U
i
)。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述最大应力约束时变可靠性指标B
1T
表示为：B
1T
＝N
‑1(Pr(g1≥0))，所述典型应力约束时变可靠性指标B
2T
表示为B
2T
＝N
‑1(Pr(g2≥0))；其中，N
‑1表示标准正态累积分布函数求逆计算，Pr表示概率计算，g1表示最大应力约束
函数，g1＝S
Ut
‑
S
U
(X,P(t))，g2表示典型应力约束函数，g2＝S
T
(X,P(t))
‑
S
Tt
，S
Ut
表示芯片应力阈值，S
Tt
表示热接触应力阈值。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：步骤(2)构建所述应力平衡时变可靠性优化模型的解耦方法，所述步骤(2)，包括：步骤(2.1)建立所述性能函数S
U
(X,P(t))和S
T
(X,P(t))；步骤(2.2)更新所述应力平衡时变可靠性优化模型，即所述式一更新为：maxf＝S
T
(X,U
i
)/S
U
(X,U
i
)s.t.B
1T
≥B
1t
,B
2T
≥B
2t
X
iL
≤X
i
≤X
iR
,i＝1,2,...,n/4；步骤(2.3)求解初始化，包括设置k＝0、X
(0)
＝E0、c
1(0)
＝1、c
2(0)
＝1、m，k表示迭代步序号，X
(0)
表示初始解，E0是由n/4个E0组成的向量，c
1(0)
表示最大应力安全系数初始值，c
2(0)
表示典型应力安全系数初始值，m表示离散数，m取值范围为[10,30]；步骤(2.4)实施静态可靠性优化，即求解式二：maxf＝S
T
(X,U
i
)/S
U
(X,U
i
)s.t.B
1(k)
≥c
1(0)
·
B
1t
,B
2(k)
≥c
2(0)
·
B
2t
B
1(k)
＝N
‑1(Pr(S
Ut
‑
S
U
(X,P
S
)≥0)),B
2(k)
＝N
‑1(Pr(S
T
(X,P
S
)
‑
S
Tt
)≥0))X
iL
≤X
i
≤X
iR
,i＝1,2,...,n/4；其中，B
1(k)
是指最大应力约束的静态可靠性指标，B
2(k)
是指典型应力约束的静态可靠性指标，P
S
是由包含n/4个随机变量组成的向量，第i个随机变量的分布参数为U
i
、V
i
，求解所述式二，得到X
(k)
、P
M1(k)
、P
M2(k)
、
▽
g1(X
(k)
,P
M1(k)
)、
▽
g2(X
(k)
,P
M2(k)
)、B
1(k)
、B
2(k)
、f
(k)
，X
(k)
表示第k迭代步的解，P
M1(k)
表示对g1的最大可能性点，P
M2(k)
表示对g2的最大可能性点，所述最大可能性点具有最大联合概率密度，
▽
g1(X
(k)
,P
M1(k)
)表示g1在P
M1(k)
处的梯度向量，表示g2在P
M2(k)
处的梯度向量，f
(k)
表示第k迭代步的目标函数值；步骤(2.5)服役周期离散化，是指将所述服役周期[t0,t
e
]离散成m个相等的时段单元，t
j
表示第j个时段单元；步骤(2.6)计算相关系数矩阵，所述相关系数矩阵包括L
1(k)
相关系数矩阵和L
2(k)
相关系数矩阵，L
1(k)
表示最大应力约束的近似函数，L
2(k)
表示典型应力约束的近似函数；步骤(2.7)计算安全系数，所述安全系数包括第k+1迭代步的最大应力安全系数c
1(k+1)
和第k+1迭代步的地形应力安全系数c
2(k)
，其中，所述安全系数根据所述相关系数矩阵求解得到；步骤(2.8)实施时变可靠性分析，流程包括：(2.8.1)计算B
1T(k)
，是指B
1T(k)
＝N
‑1(N
m
(B
1(k)
,B
1(k)
,...,B
1(k)
,R
1(k)
))，B
1T(k)
表示第k迭代步的最大应力约束时变可靠性指标；(2.8.2)计算B
2T(k)
，是指B
2T(k)
＝N
‑1(N
m
(B
1(k)
,B
1(k)
,...,B
1(k)
,R
1(k)
))，B
2T(k)
表示第k迭代步的典型应力约束时变可靠性指标；步骤(2.9)判断是否收敛，如...

【专利技术属性】
技术研发人员：李仲清，李航洋，徐李恩，徐林芳，黄志刚，房汝明，
申请(专利权)人：苏州工业园区明源金属股份有限公司，
类型：发明
国别省市：