针对焊料层失效的IGBT物理寿命预测模型研究

摘要

作为功率变流器的核心部件，IGBT功率模块被广泛应用于电动汽车、新能源发电、智能电网等新兴领域。功率器件的可靠性研究一直都是电力电子行业的热点问题。其中，焊料层作为IGBT功率模块中最薄弱部分之一，在模块散热性能方面发挥着至关重要的作用。因此，明确焊料层的失效机理，探究焊料层空洞萌生和扩展对IGBT模块可靠性的影响具有重要意义。　　关于焊料层失效的寿命预测模型有很多，其中基于塑性应变能的寿命预测模型，由于其能够描述材料在老化过程中应力应变机理的优势受到了国内外学者的广泛关注。但现有这类寿命预测模型中均假定危险区塑性应变能密度是定值，而实际上该数值会随着焊料层的老化而显著变化，目前没有可靠的数学模型来描述焊料层老化失效过程。针对以上问题，本文以FF150R12ME3G的半桥IGBT模块作为研究对象，针对焊料层不同老化阶段进行了有限元仿真建模，分析了模块的结温和热阻与焊料层空洞扩展间的联系。基于Clech算法，对焊料层的老化失效过程进行了量化描述,佐证了焊料层危险区塑性应变能密度随焊料层老化会发生变化的有限元仿真结果。Clech算法极大地缩短了计算时间，提高了计算效率。　　此外，结合现有基于塑性应变能的寿命模型，提出了一种能够描述焊料层退化过程的物理寿命模型：在有限元画网格的功能将焊料层均分为多个单元，假定每个单元的失效能量为定值；通过有限元热力学仿真提取模块焊料层裂纹萌生阶段的危险区的塑性应变能密度,并通过老化实验提取IGBT焊料层裂纹萌生阶段的循环周期，进而得到焊料层每个单元的失效塑性应变能。采用有限元杀死单元的方法，来模拟并提取焊料层中裂纹扩展阶段的结温和结壳热阻，并计算单元老化的失效周期数。　　在有限元模拟裂纹扩展过程中，杀死单元会减小焊料层的散热面积导致热阻增大。而结壳热阻被广泛应用于评估焊料层的可靠性。因此，关于IGBT模型的寿命建模，本文以结壳热阻增大50%作为焊料层老化失效标准。将IGBT模块焊料层失效过程先“离散化”，再“连续化”，最终将不同老化阶段的循环周期求和即可预测IGBT焊料层失效寿命。结合已发表文献的实验结果，本文提出的新型寿命预测模型的预测结果与实验结果误差仅为3.82%。最后，搭建了加速老化实验平台用于后续模型理论研究的验证。

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第 1 章绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1封装失效机理研究现状

1.2.2 IGBT 模块封装失效特征量相关研究

1.2.3寿命预测模型研究现状

1.3目前IGBT模块寿命预测研究存在的问题

1.4本文的主要研究内容

第二章 IGBT 模块焊料层的失效机理分析

2.1 IGBT 模块的内部封装结构分析

2.1.1传统焊接式封装模块

2.1.2新型压接式封装模块

2.2传热学理论和材料力学理论

2.2.1传热学理论

2.2.2材料力学理论

2.3焊料层失效模式相关研究

2.4本章小节

第三章 IGBT 模块的电-热-力多场耦合仿真分析

3.1 IGBT 模块的有限元建模

3.2 IGBT 模块的多场耦合仿真模型分析

3.3焊料层空洞率对IGBT模块的工作性能的影响

3.3.1中心空洞对IGBT模块的影响

3.3.2边角空洞对IGBT模块的影响

3.4 Clech 算法

3.4.1 Clech 算法介绍

3.4.2组合刚度和施加应变的获取

3.4.3 Clech 算法结果

3.4.4基于Clech算法的空洞扩展的研究

3.5本章小结

第四章 基于塑性应变能的寿命预测模型研究

4.1寿命预测模型研究

4.1.1解析寿命预测模型

4.1.2物理寿命预测模型

4.2基于塑性应变能的新型寿命预测模型

4.3不同老化阶段焊料层有限元仿真相关参数提取

4.4基于塑性应变能的寿命预测分析

4.4.1有限元仿真分析

4.4.2基于塑性应变能的新型寿命预测模型的分析验证

4.4.3 Clech 算法的预测结果

4.5本章小结

第五章 加速老化实验的设计

5.1加速老化实验分类

5.2加速老化实验的控制策略

5.3加速老化实验平台的搭建

5.3.1老化实验电路

5.3.2 IGBT模块结温和壳温的测量

5.3.3老化实验平台的相关参数提取

5.4本章小节

总结与展望

参考文献

致谢