计及疲劳累积效应的IGBT模块焊料层失效机理及疲劳损伤研究

摘要

作为电动汽车驱动、新能源发电、智能电网、轨道交通等领域中电能转换的关键单元，IGBT功率模块逐步成为全球发展“绿色经济”的重要支点，其安全可靠性为解决能源短缺和降低碳排放量提供重要保证。焊料层是构成IGBT模块内部电气连接、机械支撑以及散热通道的重要部分，其可靠连接保证了功率模块功能的正常实现。面对各种复杂、严苛的工作环境，焊料层的热疲劳损伤是模块失效的主要模式之一，因此，充分了解焊料层疲劳失效机理、探究焊料层损伤在IGBT模块中产生的影响，对提高IGBT模块的可靠性有重要意义。尽管目前已经有很多学者对封装模块焊料层的疲劳失效机理进行了研究，但主要侧重于从表面检测或外部电参量来分析焊料层的失效状态，缺乏从物理机制方面来深入探究焊料层失效机理。此外，大多数研究忽略了焊料层累积损伤对IGBT模块疲劳失效的影响，造成目前IGBT模块的在线监测、寿命评估方法存在一定的误差。
　　基于此，本文以 SKM50GB12T4型号的 IGBT模块为研究对象，通过有限元仿真技术，结合理论分析以及老化实验，开展了对IGBT模块焊料层的失效机理分析和疲劳损伤研究。文章考虑了焊料层的损伤累积效应，研究成果为更准确地进行IGBT模块可靠性评估和状态监测提供理论基础和技术支持。
　　本文研究的主要内容包括：
　　①针对目前单一的电-热或热-力仿真模型无法同时考虑电、热和机械特性对IGBT模块疲劳失效的影响，文章建立了考虑焊料层粘塑性效应的电-热-力多物理场耦合模型，对 IGBT模块的失效机理进行分析。首先，利用 MATLAB/Simulink仿真平台，建立IGBT模块的等效Foster热网络模型，计算芯片在额定电流下产生的功率损耗。其次，基于有限元仿真软件ANSYS14.5，建立了IGBT模块的等比例有限元模型，综合Foster热网络模型结果对IGBT模块进行电-热-应力耦合分析。最后，针对焊料层的粘塑性力学行为，对其随时间发生的疲劳失效机制进行详细研究。
　　②焊料层疲劳寿命模型以应力应变相关参数作为输入值，每次寿命评估前都需要进行耗时的有限元分析，针对这一问题，文章以温度参量代替应力应变参数，提出一种焊料层疲劳失效评估模型。首先，基于现有疲劳寿命模型选取了能表征焊料层疲劳失效的力学指示参数，分析功率循环中结温波动、最小结温、功率循环周期对焊料层疲劳指示参数的影响程度及影响规律。之后，基于得到的影响规律和仿真数据，通过最小二乘法建立了温度变量与焊料层疲劳指示参数之间的曲面函数。
　　③裂纹的萌生和扩展是焊料层最主要的失效模式之一，但目前对IGBT模块及焊料层的寿命预测和失效评估研究往往忽略了裂纹损伤的作用，针对这一问题，文章分析了裂纹损伤模块的失效机制，并提出计及疲劳累积效应的焊料层失效评估模型。首先，基于裂纹扩展的物理机制，在ANSYS中建立IGBT模块的裂纹损伤有限元模型，分析功率循环下损伤模型内部的热-应力场特点，详细探究了裂纹长度对IGBT模块热阻的影响规律。其次，通过对比相同结温波动载荷在损伤模型和完整模型中产生的老化效果，提出了包含损伤因子的焊料层疲劳失效评估模型。最后，通过加速老化实验对仿真结果进行了定性的验证。

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目录

1 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究内容

2 基于多物理场耦合的IGBT功率模块失效机理分析

2.1 引言

2.2 IGBT模块多物理场耦合分析方法

2.3 功率模块IGBT的多物理场耦合分析

2.4功率循环条件下的焊料层失效机理分析

2.5 本章小结

3 不同功率循环条件下焊料层疲劳损伤评估

3.1引言

3.2焊料层疲劳寿命模型

3.3 功率循环下不同工况条件对焊料层疲劳失效影响评估

3.4 基于特征温度的焊料层疲劳失效评估模型

3.5 总结

4 计及裂纹损伤的IGBT模块热疲劳失效分析

4.1 引言

4.2 焊料层裂纹扩展理论及损伤模型建立

4.3 焊料层裂纹对IGBT模块热特性的影响分析

4.4 计及疲劳损伤的焊料层失效评估模型

4.5 实验验证与分析

4.6 本章小结

5 结论与展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文情况

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目