[發明專利]一種基于多疲勞模式耦合的功率半導體器件壽命預測方法

在審

• 申請號: 202111246775.3
• 申請日: 2021-10-26
• 公開（公告）號: CN113987783A
• 公開（公告）日: 2022-01-28
• 發明（設計）人: 黃永樂;羅毅飛;肖飛;劉賓禮;唐欣;熊又星;楊之慧;胡泊
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍海軍工程大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/04
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司 42104
• 代理人: 馬輝;張繼巍

本發明涉及一種基于多疲勞模式耦合的功率半導體器件壽命預測方法，針對功率半導體器件不同疲勞模式建立壽命預測模型；獲得功率半導體器件不同疲勞失效模式下的疲勞壽命模型參數數據并帶入壽命預測模型中；建立功率半導體器件電熱耦合模型獲取電熱循環工況參數；將獲取的電熱循環工況參數，代入中壽命預測模型中，計算不同疲勞失效模式對應的疲勞壽命；根據疲勞壽命對電熱耦合模型結殼熱阻和導通電阻進行退化修正。不僅可以判斷導致器件最終失效的疲勞模式，輸出對應的疲勞壽命，而且還可以對器件服役過程中的熱阻/導通電阻等參數的動態退化過程進行仿真提取，為功率半導體器件長期運行可靠性評估提供有效指導。

技術領域

本發明屬于電力電子器件與裝置可靠性技術領域，具體涉及一種基于多疲勞模式耦合的功率半導體器件壽命預測方法。

背景技術

電能變換模塊通過功率元器件組合使用，基于各種調控策略實現電能“數字化”存儲和變換，其中以IGBT為代表的功率半導體器件是控制電能開斷的關鍵器部件，功率半導體器件是影響裝置整體性能和安全可靠運行的關鍵因素。統計數據顯示，在功率變流器的各個部件中，約40％的變流器失效都是由于功率半導體引起的，而維修排除這些故障所消耗的時間占總故障的時間60％以上。功率半導體器件屬于典型異質復合結構，其正常電氣功能的實現依賴于封裝結構完整性。由于器件各封裝材料之間存在熱膨脹系數差異，當器件內部溫度場反復波動時，不同封裝結構之間產生擾動的熱應力。在擾動熱應力長期作用下封裝材料內部微觀結構缺陷不斷萌生聚集，材料電、熱傳導及絕緣機械等性能退化，導致器件內部電熱環境惡化，保證器件安全運行的電熱邊界也將發生動態退變。在電力電子裝置運行初期，通過安全設計功率半導體器件可滿足安全運行需求，但是隨著功率半導體器件服役時間增長，由于其電熱安全邊界發生動態退化，器件發生瞬態電熱擊穿失效的概率大大增加，對電能變換模塊安全可靠運行造成了極大威脅，嚴重制約了電力電子裝置性能提升與長期運行可靠性。由此可見，準確預測長期服役過程中功率半導體器件使用壽命，對保障電力裝備安全可靠運行具有重要意義。

實際運行條件下，功率半導體器件封裝疲勞行為非常復雜，通常是多種疲勞模式同時發生，且不同疲勞模式相互耦合。不同疲勞模式間存在物理本質的差異性，功率半導體器件疲勞壽命由其中最先失效的疲勞模式決定(主疲勞模式)，其余疲勞模式也能對器件疲勞壽命施加影響，主疲勞模式類型可隨著具體應用條件變化而變化。封裝疲勞是一個緩慢長期的演變過程，在各種疲勞模式持續作用下，器件電熱特性不斷逐漸退化，內部電-熱-應力環境逐漸惡化，反過來加速各單一疲勞模式的疲勞進程。由此可見，不同疲勞模式之間通過共同作用下改變功率半導體器件電熱特性來實現動態耦合。

發明內容

本發明的目的就是針對上述技術的不足，提供一種能為功率半導體器件長期運行可靠性評估提供有效指導的基于多疲勞模式耦合的功率半導體器件壽命預測方法。

為實現上述目的，本發明所設計的：基于多疲勞模式耦合的功率半導體器件壽命預測方法，包括如下步驟：

1)結合材料疲勞理論和功率半導體器件工作原理，針對功率半導體器件不同疲勞模式建立壽命預測模型；

2)根據功率半導體器件型號，搭建加速壽命試驗平臺，在不同工況下分別針對功率半導體器件不同疲勞模式開展加速壽命考核，獲得功率半導體器件不同疲勞失效模式下的疲勞壽命模型參數數據并帶入步驟1)中的壽命預測模型中；

同時，建立功率半導體器件電熱耦合模型獲取電熱循環工況參數；

3)將步驟2)獲取的電熱循環工況參數，代入步驟2)中壽命預測模型中，計算不同疲勞失效模式對應的疲勞壽命；根據疲勞壽命對電熱耦合模型結殼熱阻和導通電阻進行退化修正。

進一步地，所述步驟1)中，壽命預測模型包括焊料疲勞壽命模型：