[發(fā)明專(zhuān)利]一種多芯片并聯(lián)IGBT模塊可靠性綜合評(píng)價(jià)方法及系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110012177.3
• 申請(qǐng)日: 2021-01-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112818622B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-06-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 何怡剛;王晨苑;李獵;杜博倫;張慧;何鎏璐
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/367
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/367;G06F119/02;G06F119/04
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專(zhuān)利代理有限公司 42102
• 代理人: 張宇

本發(fā)明公開(kāi)了一種多芯片并聯(lián)IGBT模塊可靠性綜合評(píng)價(jià)方法及系統(tǒng)，其中，方法的實(shí)現(xiàn)包括：建立多芯片并聯(lián)IGBT模塊柵極?發(fā)射極電壓可靠性模型，并進(jìn)行芯片疲勞故障測(cè)試，選取柵極?發(fā)射極電壓為故障特征量；建立多芯片并聯(lián)IGBT模塊跨導(dǎo)的可靠性模型，并進(jìn)行鍵合線(xiàn)脫落故障測(cè)試，選取模塊傳輸特性曲線(xiàn)為故障特征量；用皮爾遜相關(guān)系數(shù)表征IGBT模塊健康度，分別計(jì)算不同程度下的芯片疲勞和鍵合線(xiàn)脫落故障狀態(tài)下的健康度PPMCC_C和PPMCC_B；依據(jù)PPMCC_C和PPMCC_B綜合評(píng)價(jià)多芯片并聯(lián)IGBT模塊可靠性。通過(guò)本發(fā)明能同時(shí)監(jiān)測(cè)IGBT模塊中的芯片疲勞和鍵合線(xiàn)脫落故障，且計(jì)算簡(jiǎn)單、綜合特性好，能實(shí)現(xiàn)多芯片IGBT模塊整體可靠性評(píng)估。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電力電子關(guān)鍵器件可靠性技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種多芯片并聯(lián)IGBT模塊可靠性綜合評(píng)價(jià)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

絕緣柵雙極性晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)模塊是由多個(gè)IGBT芯片、二極管芯片、焊料層、鍵合線(xiàn)、陶瓷覆銅基板、散熱底板及功率端子組成的電力電子集成模塊。IGBT模塊主要應(yīng)用于逆變器、變頻器、不間斷電源、風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電等領(lǐng)域，是功率變流器中的核心器件，也是功率變流器中失效率最高的器件之一。作為大功率變換器中的關(guān)鍵核心器件，IGBT模塊的可靠性是電力電子應(yīng)用中的重要問(wèn)題。為降低功率變流器的故障率，提高功率變流器的可靠性，對(duì)IGBT模塊進(jìn)行可靠性評(píng)估具有重要意義。

由于半導(dǎo)體器件中各層材料熱膨脹系數(shù)(Coefficient of Thermal Expansion，CTE)不一致，結(jié)溫的波動(dòng)引起各層膨脹程度不同，使得各層之間產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致焊料層疲勞或鍵合線(xiàn)脫落。芯片焊料層疲勞失效和鍵合線(xiàn)脫落是IGBT模塊主要的老化失效機(jī)制。目前針對(duì)IGBT模塊可靠性研究大多數(shù)集中于健康敏感參數(shù)，選取模塊電參數(shù)為故障特征，但目前大多只能實(shí)現(xiàn)一種故障狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，無(wú)法同時(shí)監(jiān)測(cè)芯片故障和鍵合線(xiàn)故障。因此，利用單一健康敏感參數(shù)難以實(shí)現(xiàn)IGBT模塊健康狀態(tài)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和IGBT模塊可靠性綜合評(píng)價(jià)。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提出了一種多芯片并聯(lián)IGBT模塊可靠性綜合評(píng)價(jià)方法及系統(tǒng)，針對(duì)IGBT模塊中芯片疲勞故障和鍵合線(xiàn)脫落故障，能準(zhǔn)確評(píng)估模塊健康狀態(tài)和可靠性，且操作簡(jiǎn)便。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種多芯片并聯(lián)IGBT模塊可靠性綜合評(píng)價(jià)方法，包括：

(1)建立多芯片并聯(lián)IGBT模塊柵極-發(fā)射極電壓可靠性模型，基于柵極-發(fā)射極電壓可靠性模型實(shí)現(xiàn)芯片疲勞故障測(cè)試，并選取柵極-發(fā)射極電壓為故障特征量；

(2)建立多芯片并聯(lián)IGBT模塊跨導(dǎo)的可靠性模型，基于跨導(dǎo)的可靠性模型實(shí)現(xiàn)鍵合線(xiàn)脫落故障測(cè)試，并選取模塊傳輸特性曲線(xiàn)為故障特征量；

(3)定義IGBT模塊健康度，用皮爾遜相關(guān)系數(shù)表征健康度，計(jì)算不同程度下的芯片疲勞故障狀態(tài)下的健康度PPMCC_C以及不同程度下的鍵合線(xiàn)脫落故障狀態(tài)下的健康度PPMCC_B；

(4)依據(jù)PPMCC_C和PPMCC_B綜合評(píng)價(jià)多芯片并聯(lián)IGBT模塊可靠性。

在一些可選的實(shí)施方案中，所述步驟(3)的具體實(shí)現(xiàn)方法為：

(3.1)采用健康度表征IGBT模塊可靠性，在模塊無(wú)芯片疲勞故障且無(wú)鍵合線(xiàn)脫落故障時(shí)，其健康度最大，在IGBT模塊處于健康初始狀態(tài)無(wú)芯片疲勞故障時(shí)，柵極-發(fā)射極電壓特征向量為在IGBT模塊中有i個(gè)芯片故障時(shí)，柵極-發(fā)射極電壓特征向量為在IGBT模塊處于健康初始狀態(tài)無(wú)鍵合線(xiàn)脫落故障時(shí)，IGBT模塊傳輸特性曲線(xiàn)特征向量為在IGBT模塊中有p根鍵合線(xiàn)脫落時(shí)，IGBT模塊傳輸特性曲線(xiàn)特征向量為