多次老化采样的功率模块失效机理分析方法、系统、设备

摘要

本发明提供多次老化采样的功率模块失效机理分析方法、系统、设备，涉及新能源及节能技术领域，采用多次老化采样的方法，以功率循环加速老化试验为基础，通过数字图像处理智能化算法识别超声波扫描的焊层图片从而建立焊层有限元仿真模型，通过多物理场仿真的方式获得准确的焊层失效机理。该方法有充分的试验与理论支撑，获取的失效机理结果可靠，弥补了现有对于功率模块失效机理研究中试验与仿真无法相互验证，并得到准确失效机理的问题。本发明的方法提出结合加速老化试验与有限元仿真研究失效机理，创新性强，且该方法适用于各种类型封装的研究，适用性广。

说明书

技术领域

本发明涉及新能源及节能技术领域，具体涉及多次老化采样的功率模块失效机理分析方法、系统、设备。

背景技术

如今，功率模块器件由于功率密度大、效率高等特点被逐渐广泛应用，而相对地，由于功率模块器件失效所导致的问题也在电力电子设备故障中占有极大比重。因此，功率模块的可靠性研究是至关重要的环节。

功率模块会在工作过程中经历周期性的温度应力循环，从而老化失效，在长时间尺度作用下，模块的失效方式以焊层失效为主。焊料的疲劳失效机理研究主要分为电-热-机疲劳、蠕变疲劳、寿命模型和损伤模型。电-热-机疲劳破坏机制从物理角度出发，应力的反复变化会引起交替的塑性应变，从而产生内部微应力，根据材料和载荷的不同，微裂纹可能会在材料晶体内部生长，也可能沿晶体边界生长，最终形成裂缝。蠕变疲劳失效是在恒温加载、温度爬升和温度下降中发生的塑性应变的结果，蠕变损伤的演化过程包括微孔洞的形成和扩展、晶间部位微裂纹的形成以及微裂纹在晶三点处的聚结，在疲劳循环作用下，沿晶微裂纹的形成可以在晶界之间发展，并与蠕变事件引起的缺陷相互作用。寿命模型包括疲劳失效机理寿命模型、蠕变寿命模型以及蠕变失效寿命模型，这些模型能够根据工作的条件及寿命公式，计算出寿命周期或者具体时间来反映当前模块的老化失效状态。损伤模型包括疲劳失效机理损伤模型、蠕变损伤模型和耦合蠕变疲劳模型，这些模型根据现有公式以及线性和非线性损伤理论，得到模块当前的损伤百分比来体现寿命状态。

由于功率模块失效机理的复杂性，研究模块失效过程中的应力应变过程需借助于有限元仿真软件，而老化过程则需要使用加速老化试验完成。对功率模块老化试验中发现，当模块的焊层出现孔隙时，热阻的测量值就会有一个突变，当结温的波动较小时，热阻的突变点就越迟，焊层的老化就需要更多时间，因此在老化实验过程中观测热阻就可以判断出焊层是否出现老化，加速老化试验能够实现功率模块焊层老化的目的。建立功率模块的电热力多物理场仿真模型，则可以得到模块在不同工况下的电热力作用过程，分析当焊层中存在孔隙时对模块电热特性的影响，得出焊层的疲劳老化状态；建立焊层不同位置存在初始空隙的模型，分析其应力应变分布，结合失效机理则可以得到孔隙发展的规律，并实现预测等。

目前，现有对功率模块失效机理的研究存在试验与仿真无法相互验证的问题，或以仿真为主，过度依赖理论，没有充足的实验进行验证；或以实验为主，没有对焊层微观变化进行分析。因此，现有技术依然存在缺陷和不足，现有技术中通过加速老化试验研究功率模块的失效过程，只研究了老化过程中的电热特性参数，例如V

发明内容

鉴于此，本发明提供一种多次老化采样的功率模块失效机理分析方法、系统、设备，以解决功率模块失效机理研究中试验和仿真无法相互验证得出准确失效机理的问题。本发明通过采用多次老化采样的方法获取焊层微观形貌并结合多物理场仿真的方式对功率模块的失效机理进行研究。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种多次老化采样的功率模块失效机理分析方法，包括以下步骤：

S1：对功率模块的焊层进行功率循环加速老化试验，对所述焊层的老化过程进行多次采样，得到所述焊层从全新状态至老化失效状态的形态演变过程；同时，检测焊层老化过程中的特性参数，根据特性参数得到边界条件；

S2：根据所述形态演变过程，建立焊层有限元仿真模型，并得到每次采样的焊层老化失效量；同时，将所述边界条件建立在所述有限元仿真模型中，并通过电热力的多物理场仿真，得到每次采样结束时的焊层老化参数分布；

S3：根据所述每次采样结束时的焊层老化参数分布，得到每次采样的有限元仿真的焊层老化失效量；

S4：根据S2中的焊层老化失效量和S3中有限元仿真的焊层老化失效量相等的数值，得到失效阈值，根据所述失效阈值并利用基于应变的疲劳寿命模型，得到功率模块焊层的失效机理模型。

进一步地，S1中，所述功率循环加速老化试验采用分钟级的时间尺度。

进一步地，S1中，所述焊层老化过程中的特性参数包括：结温、导通电压和结壳热阻。

进一步地，所述结温通过温敏电参数法进行测量。

进一步地，S1中，所述对所述焊层的老化过程进行多次采样，得到所述焊层从全新状态至老化失效状态的形态演变过程具体包括：采用超声波扫描显微镜获取焊层从全新状态至老化失效状态过程中的焊层形貌分布图，并通过数字图像处理算法识别所述焊层形貌分布图，并建立几何模型；

多次采样得到的几何模型构成焊层从全新状态至老化失效状态的形态演变过程。

进一步地，S2中，所述每次采样结束时的焊层老化参数分布选用应变分布。

进一步地，S3具体包括：通过所述每次采样结束时的焊层老化参数分布，确定应变阈值，根据所述应变阈值，得到每次采样的有限元仿真的焊层老化失效量。

一种多次老化采样的功率模块失效机理分析系统，包括：

焊层老化采样模块，用于对功率模块的焊层进行功率循环加速老化试验，对所述焊层的老化过程进行多次采样，得到所述焊层从全新状态至老化失效状态的形态演变过程；同时，检测焊层老化过程中的特性参数，根据特性参数得到边界条件；

模型建立仿真模块，用于根据所述形态演变过程，建立焊层有限元仿真模型，并得到每次采样的焊层老化失效量；同时，将所述边界条件建立在所述有限元仿真模型中，并通过电热力的多物理场仿真，得到每次采样结束时的焊层老化参数分布；

仿真老化失效量运算模块，用于根据所述每次采样结束时的焊层老化参数分布，得到每次采样的有限元仿真的焊层老化失效量；

失效机理建立模块，用于根据S2中的焊层老化失效量和S3中有限元仿真的焊层老化失效量相等的数值，得到失效阈值，根据所述失效阈值，得到功率模块焊层的失效机理模型。

一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器中运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述多次老化采样的功率模块失效机理分析方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述多次老化采样的功率模块失效机理分析方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种多次老化采样的功率模块失效机理分析方法，采用多次老化采样的方法，以功率循环加速老化试验为基础，建立焊层有限元仿真模型，通过多物理场仿真得到焊层老化失效量输出失效阈值，根据该失效阈值获得准确的焊层失效机理。该方法有充分的试验与理论支撑，获取的失效机理结果可靠，弥补了现有对于功率模块失效机理研究中试验与仿真无法相互验证，并得到准确失效机理的问题。本发明的方法提出结合加速老化试验与有限元仿真研究失效机理，创新性强，且该方法适用于各种类型封装的研究，适用性广。

进一步地，本发明借助超声波扫描获取焊层老化过程的焊层形貌分布图，并通过数字图像处理的智能化算法识别该焊层形貌分布图，能够建立精确的有限元仿真模型，将焊层老化的全过程精确反映在有限元仿真模型中，为分析失效机理提供基础。

附图说明

图1为功率循化加速老化试验的直流功率循环电路拓扑图；

图2为温度系数校准实验的温敏参数校准曲线；

图3为直流功率循环导通电压曲线；

图4为焊层老化过程的处理结果，其中，(a)超声波扫描显微镜获取的焊层形貌分布图，(b)为数字图像处理算法识别的焊层形貌分布图，(c)为建立在有限元仿真模型中的几何模型；

图5为功率循环加速老化试验中循环过程的多次老化采样的焊层形态演变图；

图6为功率循环加速老化试验与有限元仿真的功率损耗对比图；

图7为验证有限元仿真模型的准确性问题中功率循环老化试验实际测量与有限元仿真模型的热阻结果对比图；

图8为不同老化状态下焊层应变的有限元仿真分析图；

图9为COMSOL建立的焊层失效空洞率对比图。

图10为本发明提供的多次老化采样的功率模块失效机理分析方法的流程图。

图11为本发明提供的多次老化采样的功率模块失效机理分析系统的结构图。

图12为本发明所采用的电子设备结构图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合附图，对本发明的技术方案进行进一步地详细描述，所述内容是对本发明的解释而不是限定。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、系统、产品或设备固有的其他步骤或单元。

本发明提供一种多次老化采样的功率模块失效机理分析方法，包括以下步骤：

步骤一：通过功率循环加速老化试验对功率模块的焊层进行加速老化试验，并对老化过程进行采样，从而获取模块焊层从全新的状态到老化失效的全部形态演变过程；同时通过在线检测的方法对功率模块失效过程中的特性参数比如导通电压，电流等进行测量，为有限元仿真提供边界条件。

步骤二：根据步骤一得到的焊层演变过程，建立焊层含有空洞的精确有限元模型，同时将在线监测的得到的边界条件建立在有限元仿真中，通过电热力的多物理场仿真，得到每一次采样结束时焊层的老化参数分布，此发明中根据焊层的寿命公式，选用了应变分布。

步骤三：根据步骤一得到的焊层形态演变过程，计算出每一次采样焊层的老化失效量。

步骤四：根据有限元仿真的结果，通过确定一个应变阈值就可以得到每一次老化焊层的失效量；使得有限元仿真的失效量与步骤三中的失效量相同来确定出这个失效阈值；

步骤五：通过步骤四所确定的应变失效阈值即可得出焊层失效的寿命公式，就可以得到焊层的失效机理。

本发明中使得功率模块加速老化的方式是直流功率循环，它是检测功率模块可靠性的重要研究方法之一，直流功率循环如图1所示。

在本发明研究的功率测试中，需要测量众多的老化参数如结温T

结温是功率模块老化的重要参数之一，本研究采用温敏电参数法即小电流下的饱和压降对结温进行测量。应用温敏电参数法进行结温测量之前，必须要经过温度系数校准实验，事先建立温敏电参数与结温之间的关系。首先需要将待测器件放置在恒温箱中，加热至指定温度并保持恒定，等温度稳定之后，可认为器件整体达到热稳定状态，即器件内部各处温度相同，此时测量壳温即可认为是器件的结温。本发明设置的校准温度范围为20-160℃，其中每20℃测量一次，测量得到的试验结果如图2所示。从结果曲线可以看出，温敏参数与温度具有良好的线性关系，进行直线拟合可以得到导通电压Vce与结温之间的关系，其斜率为-2.37mV/℃，截距为0.663V。功率模块进行直线功率循环时放置在水冷的冷却板上，除了有信号线连接之外还有大电流的导线连接在模块的端子上，试验过程中测量得到的Vce曲线如图3所示。通过此曲线就可以计算出模块在老化过程中的结温变化。

本发明采用超声波扫描显微镜来获取老化过程中的模块焊层信息，通过数字图像处理的智能化算法对识别焊层相貌图片进行处理，并且建立了准确的有限元仿真模型。超声波扫描显微镜是利用超声波对微观物体进行成像的无损检测设备，声波的传播是以介质材料内分子的振动产生的，一个分子的振动传递到相邻的分子，通过这种方式不断的向周围传播。因此声波传播的基本要素是需要有一定的介质，而且这些介质的分子间距越小，传播的速度越快。这些不同的物理效应决定了接收信号的特征，从而形成了显微照片的对比度，使用超声波扫描显微镜就可以获得碳化硅电力电子器件焊层的形貌分布，扫描得到的焊层图片如图4(a)所示，由数字图像处理智能化算法识别得到的焊层结果如图4(b)所示，建立在有限元仿真模型中的几何模型如图4(c)所示，由于扫描功率模块焊层时，是通过底部进行扫描，因此建立的几何模型与扫描得到的结果存在着镜像关系。循环过程中的多次老化采样结果如图5所示，图中虚线部分表示采样前的形状，实线部分表示采样后的形状，当然地，每一次采样后的形状和下一次采样前的形状是一样的。从图中可以看出，通过功率循环试验，焊层中的空洞有着明显增大，以及焊层周围的边界有着明显缩小的现象；相应地，会将采样前的焊层建立在有限元模型中。

有限元仿真中的多物理场的边界条件也是影响仿真结果的重要因素，本研究通过在线监测的方法确定了仿真的边界条件。其中芯片损耗的有限元仿真与功率循环老化试验的对比如图6所示，从图中可以看出，有限元仿真模型的功率损耗条件与老化试验几乎一样。为说明有限元仿真模型的准确性，本发明选取焊层老化的重要参数热阻来进行验证。由功率循环老化试验以及有限元仿真模型计算得到的瞬态热阻如图7所示，其中实线部分代表的是老化试验测量得到的热阻，圆圈组成的虚线部分代表的是有限元仿真计算得到的热阻值，从图中可以看出，有限元仿真模型得到的结果与老化试验测量的结果基本一致，说明了有限元仿真模型的精确。

确定了有限元仿真模型后，将每次老化采样前的焊层信息建立在模型中，可以得到如图8的应变仿真结果，其为不同老化状态下焊层应变的有限元仿真分析图。从图中可以看出，在焊层边界周围以及焊层中的空洞周围的等效粘塑性应变较大，这就意味着在焊层老化过程中，它们将最开始老化消失，对应的寿命就越短，这与之前功率循环试验通过超声波扫描显微镜得到的焊层老化趋势的结论是相同的。

对基于应变的物理模型寿命公式分析可得，焊层的寿命周期数与焊料所产生的裂缝长度具有很好的线性关系，因此功率模块在进行功率循环试验过程中，焊层的应变就存在一个阈值，当应变超过该阈值时，焊层就老化消失了；当应变低于阈值时，焊层仍然存在。通过上述的功率循环老化试验以及对应的有限元仿真结果分析，确定焊层在功率循环25000次之后的老化阈值为0.0086。当不同的循环次数时，阈值会相应的变化。当然地，使用多次老化采样方法时，每一次采样的周期数越少，获得的阈值数更加精确。

将确定的寿命公式阈值带入有限元仿真结果中，就可以确定老化的焊层形状。为了描述寿命公式确定阈值的准确性，焊层的失效空洞率被选为一个标准来衡量，如图9所示。图中虚线表示功率循环结果，实线表示寿命模型预测的结果，图中最上面一条虚线表示中间焊层的空洞率，相对地，下面两条虚线分别表示两边焊层的空洞率。从图中可以看出，由寿命公式以及有限元仿真确定的空洞率与功率循环试验所得到的空洞率基本一致。且中间焊层的空洞率比两边焊层的空洞率更高一些，这是由于热耦合的原因，致使中间芯片产生更多的热，而芯片与焊层之间会产生更大的热应力，从而导致焊层有着更大的形变，会更容易老化，失效得更快。

上述的多次老化采样功率模块失效机理分析方法的流程如图10所示，具体包括以下流程：

S1：对功率模块的焊层进行功率循环加速老化试验，对所述焊层的老化过程进行多次采样，得到所述焊层从全新状态至老化失效状态的形态演变过程；同时，检测焊层老化过程中的特性参数，根据特性参数得到边界条件；

S2：根据所述形态演变过程，建立焊层有限元仿真模型，并得到每次采样的焊层老化失效量；同时，将所述边界条件建立在所述有限元仿真模型中，并通过电热力的多物理场仿真，得到每次采样结束时的焊层老化参数分布；

S3：根据所述每次采样结束时的焊层老化参数分布，得到每次采样的有限元仿真的焊层老化失效量；

S4：根据S2中的焊层老化失效量和S3中有限元仿真的焊层老化失效量相等的数值，得到失效阈值，根据所述失效阈值，得到功率模块焊层的失效机理模型。

如图11所示，本发明提供一种多次老化采样的功率模块失效机理分析系统，包括：

焊层老化采样模块，用于对功率模块的焊层进行功率循环加速老化试验，对所述焊层的老化过程进行多次采样，得到所述焊层从全新状态至老化失效状态的形态演变过程；同时，检测焊层老化过程中的特性参数，根据特性参数得到边界条件；

模型建立仿真模块，用于根据所述形态演变过程，建立焊层有限元仿真模型，并得到每次采样的焊层老化失效量；同时，将所述边界条件建立在所述有限元仿真模型中，并通过电热力的多物理场仿真，得到每次采样结束时的焊层老化参数分布；

仿真老化失效量运算模块，用于根据所述每次采样结束时的焊层老化参数分布，得到每次采样的有限元仿真的焊层老化失效量；

失效机理建立模块，用于根据S2中的焊层老化失效量和S3中有限元仿真的焊层老化失效量相等的数值，得到失效阈值，根据所述失效阈值，得到功率模块焊层的失效机理模型。

如图12所示，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器中运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现多次老化采样的功率模块失效机理分析方法的步骤。

本发明还提供一种计算机可读介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现多次老化采样的功率模块失效机理分析方法的步骤。

由技术常识可知，本发明可以通过其它不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的，所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。