IGBT在多失效模式物理耦合作用下的B10寿命预测方法技术

本发明专利技术公开了一种IGBT在多失效模式物理耦合作用下的B10寿命预测方法，属于IGBT寿命预测技术领域，其中，方法包括：针对IGBT进行固定结温波动的功率循环实验；拟合键合引线与焊料层寿命预测模型；测量并拟合IGBT通态压降与结壳热阻退化曲线；建立IGBT在多失效模式物理耦合作用下的退化约束方程；迭代计算IGBT在多失效模式物理耦合作用下的B10寿命。本发明专利技术能实现IGBT失效概率的可视化，有利于IGBT可靠性管理的展开，极大提高了IGBT所在系统的可靠性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
IGBT在多失效模式物理耦合作用下的B10寿命预测方法


[0001]本专利技术属于IGBT寿命预测
，更具体地，涉及一种IGBT在多失效模式物理耦合作用下的B10寿命预测方法。

技术介绍

[0002]绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，作为目前电器领域重要的功率半导体开关，已经广泛运用于包括轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等诸多领域，尤其在清洁能源、柔性直流输电等
有重要运用。由于IGBT是用电压控制的功率开关，在工作时，IGBT往往会承受数百甚至数千伏特的电压。高电压大功率的工作环境，不仅对IGBT模块封装的绝缘性能提出了很高的要求，这种环境往往也导致IGBT在运行过程中产生很大的损耗。这些损耗以热能的形式向外传递，使IGBT芯片的温度升高，降低了IGBT模块的可靠性。
[0003]IGBT模块的寿命预测是可靠性研究的重要内容。但是，传统的寿命预测方法存在以下几处缺陷：(1)没有考虑到随机概率分布对寿命的影响；(2)只针对IGBT模块具体一种失效模型进行寿命预测。材料的老化与失效是裂纹造成的，而裂纹的产生与扩大均是一个随机事件。所以，IGBT的失效也是一个随机事件，服从某种概率分布。而通过概率分布，可以计算出IGBT的平均寿命。而键合引线与焊料层间的耦合关系十分复杂。目前，针对这种失效模式耦合作用下的IGBT模块寿命预测亟待进一步研究。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提出了一种IGBT在多失效模式物理耦合作用下的B10寿命预测方法。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种IGBT在多失效模式物理耦合作用下的B10寿命预测方法，包括：
[0006]针对IGBT进行固定结温波动的功率循环实验；
[0007]基于功率循环实验获取的数据拟合键合引线与焊料层寿命预测模型；
[0008]测量并拟合IGBT通态压降与结壳热阻退化曲线；
[0009]基于键合引线与焊料层寿命预测模型及IGBT通态压降与结壳热阻退化曲线建立IGBT在多失效模式物理耦合作用下的退化约束方程；
[0010]对退化约束方程进行迭代计算IGBT在多失效模式物理耦合作用下的B10寿命。
[0011]在一些可选的实施方案中，所述针对IGBT进行固定结温波动的功率循环实验，包括：
[0012]搭建IGBT功率循环实验平台，加热阶段IGBT模块通过流通电流，利用导通压降产生功率损耗实现温升，冷却阶段通过水冷方式加速IGBT冷却；
[0013]设置芯片结温的上下限，进行固定结温波动的功率循环实验。
[0014]在一些可选的实施方案中，所述基于功率循环实验获取的数据拟合键合引线与焊
料层寿命预测模型，包括：
[0015]进行多组不同温度载荷的功率循环实验，获得失效数据；
[0016]基于失效数据，拟合键合引线与焊料层各自的寿命预测模型。
[0017]在一些可选的实施方案中，由拟合键合引线与焊料层各自的寿命预测模型，其中，N
f
‑
bw
键合引线的预测寿命，N
f
‑
sl
表示焊料层的预测寿命，c
bw
、c
sl
、d
bw
及d
sl
表示拟合参数，T
m
分别表示芯片结温。
[0018]在一些可选的实施方案中，所述测量并拟合IGBT通态压降与结壳热阻退化曲线，包括：
[0019]设置采样周期，基于小电流法测量IGBT导通压降；
[0020]测量IGBT模块芯片与基板外侧温度，结合功率损耗，计算IGBT模块结壳热阻；
[0021]记录每个采样周期的导通压降与结壳热阻，直至失效，将导通压降与热阻的退化数据绘制为退化曲线并进行拟合。
[0022]在一些可选的实施方案中，由得到IGBT模块结壳热阻R
th
，其中，U
ces
为导通压降，T
j
为芯片结温，T
c
为基板壳温，I
c
为集电极电流；
[0023]由拟合IGBT通态压降与结壳热阻退化曲线，其中，U
ces
‑0和R
th
‑0分别为U
ces
和R
th
的初值，a
bw
、a
sl
、b
bw
、b
sl
为待拟合参数，D
bw
与D
sl
分别为键合引线与焊料层的老化程度，N为IGBT功率循环的次数。
[0024]在一些可选的实施方案中，所述建立IGBT在多失效模式物理耦合作用下的退化约束方程，包括：
[0025]根据键合引线与焊料层的寿命预测模型，IGBT通态压降与结壳热阻退化曲线，获得约束方程相关参数，其中，相关参数包括：a表示Lesit寿命预测模型非指数项、b表示Lesit寿命预测模型指数项指数的负数、c表示初始绝对温度、d表示U
ces
变化曲线指数项的常系数、e表示U
ces
变化曲线指数项的指数、f表示D
bw
换算时的常系数转换系数、g表示D
bw
换算时的指数转换系数及h表示R
th
变化曲线指数项的指数；
[0026]测量包括芯片结温初值及环境温度的约束方程相关参数，并建立退化约束方程。
[0027]在一些可选的实施方案中，由建立退化约束方程，其中，r
a
‑
bw
表示键合引线的老化速率。
[0028]在一些可选的实施方案中，所述对退化约束方程进行迭代计算IGBT在多失效模式物理耦合作用下的B10寿命，包括：
[0029]对退化约束方程进行迭代计算，获得键合引线与焊料层D
bw
与D
sl
变化曲线；
[0030]基于键合引线与焊料层D
bw
与D
sl
变化曲线，计算键合引线与焊料层失效概率变化
曲线；
[0031]根据键合引线与焊料层失效概率，计算IGBT模块整体失效概率；
[0032]取整体失效概率为10％的点，对应的循环次数为IGBT的B10寿命。
[0033]在一些可选的实施方案中，由计算键合引线与焊料层失效概率变化曲线，其中，m
bw
和m
sl
为键合引线与焊料层Weibull分布中的形状参数，F
bw
(D
bw
)表示键合引线的累积失效率，F
sl
(D
sl
)表示焊料层的累积失效率；
[0034]由F
IGBT
(N)＝1...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种IGBT在多失效模式物理耦合作用下的B10寿命预测方法，其特征在于，包括：针对IGBT进行固定结温波动的功率循环实验；基于功率循环实验获取的数据拟合键合引线与焊料层寿命预测模型；测量并拟合IGBT通态压降与结壳热阻退化曲线；基于键合引线与焊料层寿命预测模型及IGBT通态压降与结壳热阻退化曲线建立IGBT在多失效模式物理耦合作用下的退化约束方程；对退化约束方程进行迭代计算IGBT在多失效模式物理耦合作用下的B10寿命。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述针对IGBT进行固定结温波动的功率循环实验，包括：搭建IGBT功率循环实验平台，加热阶段IGBT模块通过流通电流，利用导通压降产生功率损耗实现温升，冷却阶段通过水冷方式加速IGBT冷却；设置芯片结温的上下限，进行固定结温波动的功率循环实验。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述基于功率循环实验获取的数据拟合键合引线与焊料层寿命预测模型，包括：进行多组不同温度载荷的功率循环实验，获得失效数据；基于失效数据，拟合键合引线与焊料层各自的寿命预测模型。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，由拟合键合引线与焊料层各自的寿命预测模型，其中，N
f
‑
bw
表示键合引线的预测寿命，N
f
‑
sl
表示焊料层的预测寿命，c
bw
、c
sl
、d
bw
及d
sl
表示拟合参数，T
m
表示芯片结温。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述测量并拟合IGBT通态压降与结壳热阻退化曲线，包括：设置采样周期，基于小电流法测量IGBT导通压降；测量IGBT模块芯片与基板外侧温度，结合功率损耗，计算IGBT模块结壳热阻；记录每个采样周期的导通压降与结壳热阻，直至失效，将导通压降与热阻的退化数据绘制为退化曲线并进行拟合。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，由得到IGBT模块结壳热阻R
th
，其中，U
ces
为导通压降，T
j
为芯片结温，T
c
为基板壳温，I
c
为集电极电流；由拟合IGBT通态压降与结壳热阻退化曲线，其中，U
ces
‑0和R
th
‑0分别为U
ces
和R
th
的初值，a
bw
、a
sl
、b
bw
、b
sl
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李猎，何鎏璐，刘慧，
申请(专利权)人：宁波力斗智能技术有限公司，
类型：发明
国别省市：