基于瞬態(tài)熱阻的IGBT模塊壽命評(píng)估方法研究.pdf

1、大功率變流裝置在電能轉(zhuǎn)換、傳輸、管理等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，可提供高質(zhì)量、高效率的電能，因而得到了廣泛運(yùn)用。作為變流器的關(guān)鍵單元，絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）的高可靠性是系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證，由于工作環(huán)境的隨機(jī)性、惡劣性以及IGBT模塊的多層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其焊料層極易萌生裂紋、脫落導(dǎo)致模塊失效，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。有效的焊料層失效評(píng)估方法、準(zhǔn)確的壽命預(yù)測(cè)模型有助

2、于準(zhǔn)確評(píng)估模塊的健康狀態(tài)，是提高系統(tǒng)可靠性的重要手段。
　　現(xiàn)有的焊料層失效監(jiān)測(cè)、評(píng)估方案難以量化分析芯片焊料層、DBC焊料層對(duì)模塊整體失效的貢獻(xiàn)；壽命預(yù)測(cè)時(shí)一般忽略了疲勞累積效應(yīng)，導(dǎo)致高估模塊壽命。本文以IGBT模塊的多物理場(chǎng)耦合模型為基礎(chǔ)，研究了不同健康狀態(tài)下模塊的瞬態(tài)熱響應(yīng)過(guò)程，提出了基于瞬態(tài)熱阻的IGBT模塊焊料層失效定位、量化評(píng)估方法；在此基礎(chǔ)上，提出了考慮焊料層失效位置的熱網(wǎng)絡(luò)更新策略，建立了計(jì)入疲勞累積效應(yīng)的壽命評(píng)估

3、方法。并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性和準(zhǔn)確性。本文的主要研究?jī)?nèi)容包括：
　　①建立了IGBT模塊的電-熱-力多場(chǎng)耦合模型，該模型考慮了損耗與溫度的關(guān)系以及焊層材料的粘塑性行為。利用該模型分析了焊料層的失效機(jī)理以及不同焊料層失效時(shí)模塊的熱、力特性，發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)熱阻包含了更多的失效信息。
　?、诟鶕?jù)IGBT模塊焊料層在不同健康狀態(tài)時(shí)的熱響應(yīng)特征，提出利用瞬態(tài)熱阻評(píng)估焊料層失效位置和程度的方法。仿真分析了IGBT模塊焊料層失效程度、

4、位置不同時(shí)瞬態(tài)熱阻的變化規(guī)律，并搭建了瞬態(tài)熱阻測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)，分析了不同工況和失效狀態(tài)下瞬態(tài)熱阻曲線(xiàn)的差異。從仿真和試驗(yàn)角度驗(yàn)證了所提方法的可行性和有效性。結(jié)果表明依據(jù)瞬態(tài)熱阻曲線(xiàn)的分離點(diǎn)可有效判定焊料層的失效部位，適當(dāng)分階Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型可實(shí)現(xiàn)各焊料層失效程度的量化評(píng)估。
　　③針對(duì)壽命預(yù)測(cè)模型多忽略熱阻增大對(duì)熱參數(shù)影響而導(dǎo)致高估器件壽命的問(wèn)題，提出了基于Cauer熱模型的熱網(wǎng)絡(luò)更新策略和考慮疲勞累積效應(yīng)的模塊壽命預(yù)測(cè)模型。在