[發(fā)明專利]一種考慮鍵合線斷裂的IGBT模塊老化失效分析方法在審
| 申請?zhí)枺?/td> | 202111123047.3 | 申請日： | 2021-09-24 |
| 公開（公告）號： | CN113987747A | 公開（公告）日： | 2022-01-28 |
| 發(fā)明（設計）人： | 葛雪峰;袁曉冬;史明明;張宸宇;費駿韜;陳雯嘉;劉瑞煌 | 申請（專利權(quán)）人： | 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學研究院;國網(wǎng)江蘇省電力有限公司;江蘇省電力試驗研究院有限公司 |
| 主分類號： | G06F30/20 | 分類號： | G06F30/20;G06F119/04 |
| 代理公司： | 蘇州市中南偉業(yè)知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(普通合伙) 32257 | 代理人： | 丁博寒 |
| 地址： | 211103 江*** | 國省代碼： | 江蘇;32 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 一種 考慮 鍵合線 斷裂 igbt 模塊 老化 失效 分析 方法 | ||
本發(fā)明公開一種考慮鍵合線斷裂的IGBT模塊老化失效分析方法，所述方法包括：步驟一，利用PSpice得到IGBT模塊在工況下的損耗；步驟二，根據(jù)IGBT模塊的實際尺寸建立鍵合線不同斷裂情況下的有限元模型；步驟三，通過ANSYS Thermal?Electric對步驟一得到的IGBT模型進行熱電耦合分析；步驟四，將步驟二中得到的溫度場結(jié)果導入ANSYS Workbench Static Structure中進行電?熱?結(jié)構(gòu)耦合分析，得到IGBT模塊各位置的應力應變結(jié)果；步驟五，通過ANSYS nCode DesignLife軟件對IGBT模塊進行疲勞分析，完成對于鍵合線不同斷裂情況下IGBT模塊的老化失效分析。本發(fā)明借助仿真軟件完成，無需破壞相應的IGBT模塊，考慮了鍵合線的斷裂對IGBT模塊的可靠性影響。
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于功率電子元器件可靠性分析領(lǐng)域，具體涉及一種考慮鍵合線斷裂的IGBT模塊老化失效分析方法。
背景技術(shù)
由于IGBT模塊在工作時產(chǎn)生的循環(huán)熱應力以及鋁鍵合線與硅芯片的熱膨脹系數(shù)較大產(chǎn)生的剪切應力導致IGBT模塊的鍵合線疲勞老化，容易引起IGBT模塊的失效，導致電能變換裝置停運，影響電力系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)的安全性和可靠性。
鍵合線與芯片溫度的上升會導致鍵合線的應力增加，加速了鍵合線的疲勞，當鍵合線出現(xiàn)一根或幾根斷裂時，會使得剩余鍵合線的電流密度上升，使其溫度進一步上升，導致其應力也隨之增加，使其剩余疲勞壽命大大減少。
因此，模擬鍵合線的疲勞老化失效過程，分析鍵合線的老化失效對IGBT模塊的可靠性影響具有重要的現(xiàn)實意義。現(xiàn)有針對IGBT模塊的疲勞失效和可靠性研究大多基于功率循環(huán)實驗或溫度循環(huán)實驗結(jié)果分析，這種方法往往無法定性定量分析鍵合線斷裂對IGBT模塊的可靠性影響，即忽略了鍵合線疲勞老化失效對IGBT模塊可靠性的影響，從而導致鍵合線疲勞老化失效過程對IGBT模塊的可靠性影響機理不明。
發(fā)明內(nèi)容
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
一種考慮鍵合線斷裂的IGBT模塊老化失效分析方法，包括以下步驟：
步驟一，利用PSpice得到IGBT模塊在工況下的損耗；
步驟二，根據(jù)IGBT模塊的實際尺寸建立鍵合線不同斷裂情況下的有限元模型；
步驟三，通過ANSYS Thermal-Electric對步驟一得到的IGBT模塊模型進行熱電耦合分析；
步驟四，將步驟二中得到的溫度場結(jié)果導入ANSYS Workbench Static Structure中進行電-熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，得到IGBT模塊各位置的應力應變結(jié)果；
步驟五，通過ANSYS nCode DesignLife軟件對IGBT模塊進行疲勞分析，完成對于鍵合線不同斷裂情況下IGBT模塊的老化失效分析。
進一步地，步驟一具體為：在PSpice中搭建IGBT模塊測試電路，然后再加入Q3D提取出的寄生參數(shù)，計算一個周期下的IGBT模塊的損耗平均值。
進一步地，步驟二、步驟三具體為：根據(jù)IGBT模塊的實際尺寸建立鍵合線不同斷裂程度下的有限元模型，包括鍵合線、芯片、芯片焊料層、DBC層、基板焊料層及基板，將含有鍵合線存在斷裂的IGBT模塊有限元模型導入ANSYS Thermal-El ectric中，對IGBT模塊的有限元三維模型進行網(wǎng)格劃分，設置模型中各個部分的材料參數(shù)，將基板底面的換熱系數(shù)設為常數(shù)，將步驟一中計算出的損耗作為熱源加到硅芯片上，設置模塊鍵合線處通入的電流有效值，若有鍵合線完全斷裂，則每根鍵合線通入的電流會發(fā)生改變，需重新計算。基于ANSYS Thermal-Electric進行熱電耦合分析，得到溫度分布仿真結(jié)果。
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