CN112597678A - 一种压接型igbt器件微动磨损失效演化的数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压接型IGBT器件微动磨损失效演化的数值模拟方法，属于半导体器件领域。该建模方法包括压接型IGBT器件微动磨损失效模拟，建立含接触层微动磨损的压接型IGBT器件等效模型，通过设置接触面磨损损耗，进而模拟压接型IGBT器件微动磨损失效过程；压接型IGBT器件有限元建模，建立压接型IGBT器件结构模型，其中IGBT芯片包含铝镀层，设置微动磨损深度超过IGBT芯片表面铝镀层厚度，引起栅氧层失效作为仿真失效断点。本发明通过设置接触面磨损损耗，模拟了压接型IGBT器件在微动磨损失效动态过程中特征参数的变化。

Description

一种压接型IGBT器件微动磨损失效演化的数值模拟方法

技术领域

本发明属于半导体器件领域，涉及一种压接型IGBT器件微动磨损失效演化的数值模拟方法。

背景技术

现有压接型IGBT器件失效分析主要采用失效数据统计方法往往受限于测试样本数量，且失效机理大都仅在单一应力下开展研究，难以分析压接型IGBT器件微动磨损失效老化过程中性能参数变化，而压接型IGBT器件的微动磨损老化过程对器件的优化设计和系统可靠性运行至关重要。目前，压接型IGBT器件微动磨损失效分析主要基于器件功率循环实验结果，在压接型IGBT器件多物理场模拟方面，主要分析器件在应用工况下的应力分布，通过经典寿命公式对器件薄弱部位的疲劳失效进行了分析，但难以模拟压接型IGBT器件微动磨损老化过程和特征参数变化。因此，考虑压接型IGBT器件内接触面磨损损耗，利用有限元法模拟压接型IGBT器件微动磨损失效过程，对柔性直流换流阀用压接型IGBT器件的可靠运行和状态监测具有重要意义。

现有压接型IGBT器件微动磨损失效分析侧重失效实验结果、失效物理机理。但是在压接型IGBT器件微动磨损失效过程中，器件内接触面表面受循环压力与位移的影响存在磨损疲劳，导致接触面相对粗糙度、相对斜率发生变化，进而影响压接型IGBT器件性能加速微动磨损失效老化过程，是压接型IGBT器件在微动磨损老化过程中特征参数发生变化。本发明基于该背景下，针对压接型IGBT器件微动磨损老化过程中接触面磨损的现象，提出一种压接型IGBT器件微动磨损失效演化的数值模拟计算方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种压接型IGBT器件微动磨损失效演化的数值模拟方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种压接型IGBT器件微动磨损失效演化的数值模拟方法，该方法包括如下步骤：

S1：建立压接型IGBT器件有限元模型；

S2：设置压接型IGBT器件接触层参数；

S3：建立压接型IGBT器件接触层磨损损耗模型；

S4：将压接型IGBT器件多物理场与微动磨损进行耦合；

S5：计算不同循环次数下器件内接触面粗糙度、斜率变化，设置压接型IGBT器件处于不同微动磨损程度；

S6：建立压接型IGBT器件微动磨损失效等效模型。

可选的，所述压接型IGBT器件内部包括集电极铜板、发射极/集电极钼层、IGBT芯片、银垫片、栅极弹针、PEEK外壳、PCB驱动板和底层凸台，通过外部施加压力把内部各层材料连接在一起；

所述电极铜板、发射极/集电极钼层、IGBT芯片、银垫片和底层凸台表面都存在一定粗糙度、斜率；

所述电极铜板、发射极/集电极钼层、IGBT芯片、银垫片和栅极弹针都安置在PEEK外壳内，通过外部压力安装在底层凸台上；

所述IGBT芯片包含有源区、集电极区和栅驱动区的表面均镀有铝金属层；

所述PCB驱动板处于PEEK下层，安装在底层凸台底部，外置端头连接驱动器。

可选的，所述压接型IGBT器件内存在5个接触面，分别为集电极铜板与集电极钼层接触面、集电极钼层与IGBT芯片接触面、IGBT芯片与发射极钼层接触面、发射极钼层与银垫片接触面、银垫片与凸台接触面；

所述5个接触面表面都存在相对粗糙度和相对斜率。

可选的，所述压接型IGBT器件在发生微动磨损后，接触面表面发生磨损损耗，使接触面相对粗糙度会增加，进而使接触面相对斜率增加；

所述5个接触面在功率循环中发生磨损损耗，其相对粗糙度和相对斜率微动磨损换算公式为：

l_N＝l_N-1+Δl_w

m＝0.152·σ^0.4

上式基于Archard损耗模型、Tanner公式计算了N个循环周期后，接触面相对粗糙度、相对斜率变化装；其中，l_w是损耗深度，ρ_k是磨损概率，v_s是接触材料间的相对滑动速度，P是接处压强，H_c为接触面间硬度较软材料微硬度，Δt是循环周期，l_N-1是第N-1个周期后材料的磨损深度，σ_{r_i}为压接型IGBT器件内接触面相对粗糙度初始值，σ_{h_i}为压接型IGBT器件内接触面间硬度较大材料表面粗糙度初始值，σ_{s_i}为压接型IGBT器件内接触面间硬度较小材料表面粗糙度初始值；l_N是第N个周期后材料的磨损深度，m_{h_i}为压接型IGBT器件内接触面间硬度较大材料表面斜度初始值，m_{s_N}为压接型IGBT器件内接触面间硬度较小材料表面斜度第N个周期后的值。

可选的，所述压接型IGBT器件微动磨损失效与器件的热场、机械场通过接触热场、热膨胀系数、接触面磨损量计算存在耦合关系。

可选的，所述压接型IGBT器件微动磨损失效过程中接触面相对粗糙度、相对斜率变化对器件接触热阻、接触电阻产生影响，使器件性能参数发生变化；

所述5个接触面表面都存在接触热阻、接触电阻，接触热阻与接触电阻的换算公式为：

器件的接触热阻、接触电阻受接触面相对粗糙度、相对斜率的影响，其中，h_c是接触导热系数，h_e是接触电导率，k_s是接触界面导热系数的调和平均数，q_s是接触界面电导率的调和平均数，m是表面相对斜率，_r是表面相对粗糙度，P为接触压力，H_c为材料微硬度。

可选的，所述压接型IGBT器件微动磨损失效等效模型步骤S6具体为：

S61：建立压接型IGBT器件有限元模型，设置芯片表面铝镀层厚度，器件内各接触层相对粗糙度、相对斜率，器件接触热阻、接触电阻计算公式；

S62：设置芯片铝镀层厚度磨损极限值为仿真停止断点，考虑铝镀层磨损后导致栅氧化层失效为最终失效状态；

S62：仿真计算器件在一次功率循环下接触面压强、相对位移变化规律；

S63：计算一次功率循环后接触面相对粗糙度、相对斜率变化量；

S64：接触面相对粗糙度、相对斜率迭代进入仿真前模型，进行一次功率循环仿真，并重复S62～S64；

S65：判断IGBT芯片与发射极钼层表面相对粗糙度最大磨损深度是否大于芯片铝镀层厚度极限值，当磨损深度大于铝镀层厚度极限值时结束仿真；

S66：提取不同功率循环过程后电压、结温等仿真结果，得到压接型IGBT器件微动磨损失效过程特征参数变化。

本发明的有益效果在于：本发明达到模拟压接型IGBT器件微动磨损失效过程、状态监视压接型IGBT器件使用过程中微动磨损老化特征参数变化规律，反映压接型IGBT器件微动磨损失效老化过程。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明的建模方法的流程图；

图2为接触面微动磨损机理与过程；

图3为压接型IGBT器件微动磨损与物理场耦合关系图；

图4为压接型IGBT器件接触面划分

图5为IGBT芯片铝镀层与栅氧化层；

图6为压接型IGBT器件有限元建模示意图。

附图标记：接触面一1，接触面二2，接触面三3，接触面四4，接触面五5。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

图1为本发明的建模方法的流程图，如图1所示，建模方法包括压接型IGBT器件多物理场有限元建模以及微动磨损失效建模，其中：压接型IGBT器件建模，根据压接型IGBT器件几何参数与材料属性，考虑压接型IGBT使用过程中器件内部多物理场耦合和边界条件仿真提取压接型IGBT接触压力与相对位移等参数。

具体过程为：建立压接型IGBT器件模型：通过对实际压接型IGBT结构尺寸测量和材料提出，对器件进行建模包含定义材料、接触粗糙度、相对斜率等参数，选择物理模型和边界条件，进一步，选择数值计算方法。

计及压接型IGBT器件运行工况，设置电、热、力多物理场进行仿真分析，提取压接型IGBT在功率循环过程中的接触压强、接触面相对位移，从而获得压接型IGBT的微动磨损失效特征参数，获得压接型IGBT失效短路过程特征参数变化。

接触面磨损损耗建模包括，提取接触面相对粗糙度、相对斜率、功率循环中接触压力、相对位移，计算功率循环接触面磨损损耗来模拟压接型IGBT器件微动磨损失效程度。

具体为：首先，在ANSYS，COMSOL中建立压接型IGBT器件有限元几何模型，然后对接触面的接触参数进行设置，进而计算每次功率循环过程接触面磨损量、相对粗糙度变化、相对斜率变化、根据Archard损耗模型、Tanner公式：

l_N＝l_N-1+Δl_w

m＝0.152·σ^0.4

上式考虑接触面相对粗糙度、相对斜率、功率循环中接触压力、相对位移，其中，l_w是损耗深度，ρ_k是磨损概率，v_s是接触材料间的相对滑动速度，P是接处压强，H_c为接触面间硬度较软材料微硬度，Δt是循环周期，l_N-1是第N-1个周期后材料的磨损深度，σ_{r_i}为压接型IGBT器件内接触面相对粗糙度初始值，σ_{h_i}为压接型IGBT器件内接触面间硬度较大材料表面粗糙度初始值，σ_{s_i}为压接型IGBT器件内接触面间硬度较小材料表面粗糙度初始值。l_N是第N个周期后材料的磨损深度，m_{h_i}为压接型IGBT器件内接触面间硬度较大材料表面斜度初始值，m_{s_N}为压接型IGBT器件内接触面间硬度较小材料表面斜度第N个周期后的值。

把接触面微动磨损后的相对粗糙度、相对斜率带入压接型IGBT器件接触热阻、接触电阻模型，定义微动磨损失效过程：

其中，h_c是接触导热系数，h_e是接触电导率，k_s是接触界面导热系数的调和平均数，q_s是接触界面电导率的调和平均数，m是表面相对斜率，σ_r是表面相对粗糙度，P为接触压力，H_c为材料微硬度。

公式得到压接型IGBT器件微动磨损过程中热阻、电阻的变化，进而得到器件导通电压、结温的变化规律。继续迭代上述步骤，最终得到压接型IGBT器件微动磨损过程特征参数变化过程。

如图2所示，在本实施例中，展示了压接型IGBT芯片与钼层接触界面在功率循环中的微动磨损过程，IGBT芯片上镀有铝层，其表面和钼层表面非常粗糙，芯片和钼层粗糙度的峰峰处相互接触，可以把接触部位等效成两个半球，当压接型IGBT器件进行功率循环时，由外部施加压力和材料热膨胀的影响，在垂直方向存在的压力波动使芯片和钼层紧密黏在一起摩擦力不断改变，在水平方向存在相对位移引起摩擦滑动，进而导致芯片和钼层接触界面上硬度较小材料在长期循环下发生摩擦损耗，使芯片和钼层表面粗糙度发生改变，进而导致压接型IGBT器件接触热阻、接触电阻等性能参数发生变化。

如图3所示，在本实施例中，压接型IGBT器件微动磨损过程通过接触热阻、材料热膨胀、磨损损耗计算实现与压接型IGBT器件热场、机械场耦合。

如图4所示，在本实施例中，压接型IGBT器件内部总共有5个接触面，其中接触面一1为集电极铜层与集电极钼层，接触面二2为集电极钼层与芯片集电极，接触面三3为芯片发射极与发射极钼层，接触面四4为发射极钼层与银垫片，接触面五5为银垫片与发射极凸台。

如图5所示，在本实施例中，压接型IGBT发射极芯片下侧是栅极光刻胶布线通道，当芯片表面粗糙度磨损量等于铝镀层厚度时，会对铝度层下栅氧层造成影响，使栅极导通能力下降，栅极光刻胶下部分栅氧层发生断裂。其中，常规芯片与发射极钼层接触面最大粗糙度应大于11mm(铝镀层约10mm，栅氧层约1mm)。

如图6所示，在本实施例中，压接型IGBT器件有限元仿真还需要实际外部压力、水冷散热、电源激励、接地、底部固定边界条件。

与常规IGBT器件有限元建模方法相比，本发明的一种压接型IGBT器件微动磨损失效有限元建模方法，通过对压接型IGBT微动磨损机理进行仿真建模，实现了压接型IGBT器件微动磨损实现过程的复现，通过模拟接触面在功率循环中的磨损损耗提取在微动磨损失效过程中压接型IGBT器件特征参数的变化。该方法等效模拟了压接型IGBT器件微动磨损过程中结温、导通电压的变化趋势，反映了压接型IGBT器件微动磨损失效过程中特征参数的变化，这也为进一步开展压接型IGBT器件状态监测奠定基础。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种压接型IGBT器件微动磨损失效演化的数值模拟方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

S1：建立压接型IGBT器件有限元模型；

S2：设置压接型IGBT器件接触层参数；

S3：建立压接型IGBT器件接触层磨损损耗模型；

S4：将压接型IGBT器件多物理场与微动磨损进行耦合；

S5：计算不同循环次数下器件内接触面粗糙度、斜率变化，设置压接型IGBT器件处于不同微动磨损程度；

S6：建立压接型IGBT器件微动磨损失效等效模型。

2.根据权利要求1所述的一种压接型IGBT器件微动磨损失效演化的数值模拟方法，其特征在于：所述压接型IGBT器件内部包括集电极铜板、发射极/集电极钼层、IGBT芯片、银垫片、栅极弹针、PEEK外壳、PCB驱动板和底层凸台，通过外部施加压力把内部各层材料连接在一起；

所述电极铜板、发射极/集电极钼层、IGBT芯片、银垫片和底层凸台表面都存在一定粗糙度、斜率；

所述电极铜板、发射极/集电极钼层、IGBT芯片、银垫片和栅极弹针都安置在PEEK外壳内，通过外部压力安装在底层凸台上；

所述IGBT芯片包含有源区、集电极区和栅驱动区的表面均镀有铝金属层；

所述PCB驱动板处于PEEK下层，安装在底层凸台底部，外置端头连接驱动器。

3.根据权利要求2所述的一种压接型IGBT器件微动磨损失效演化的数值模拟方法，其特征在于：所述压接型IGBT器件内存在5个接触面，分别为集电极铜板与集电极钼层接触面、集电极钼层与IGBT芯片接触面、IGBT芯片与发射极钼层接触面、发射极钼层与银垫片接触面、银垫片与凸台接触面；

所述5个接触面表面都存在相对粗糙度和相对斜率。

4.根据权利要求3所述的一种压接型IGBT器件微动磨损失效演化的数值模拟方法，其特征在于：所述压接型IGBT器件在发生微动磨损后，接触面表面发生磨损损耗，使接触面相对粗糙度会增加，进而使接触面相对斜率增加；

所述5个接触面在功率循环中发生磨损损耗，其相对粗糙度和相对斜率微动磨损换算公式为：

l_N＝l_N-1+Δl_w

m＝0.152·σ^0.4

上式基于Archard损耗模型、Tanner公式计算了N个循环周期后，接触面相对粗糙度、相对斜率变化装；其中，l_w是损耗深度，ρ_k是磨损概率，v_s是接触材料间的相对滑动速度，P是接处压强，H_c为接触面间硬度较软材料微硬度，Δt是循环周期，l_N-1是第N-1个周期后材料的磨损深度，σ_{r_i}为压接型IGBT器件内接触面相对粗糙度初始值，σ_{h_i}为压接型IGBT器件内接触面间硬度较大材料表面粗糙度初始值，σ_{s_i}为压接型IGBT器件内接触面间硬度较小材料表面粗糙度初始值；l_N是第N个周期后材料的磨损深度，m_{h_i}为压接型IGBT器件内接触面间硬度较大材料表面斜度初始值，m_{s_N}为压接型IGBT器件内接触面间硬度较小材料表面斜度第N个周期后的值。

5.根据权利要求4所述的一种压接型IGBT器件微动磨损失效演化的数值模拟方法，其特征在于：所述压接型IGBT器件微动磨损失效与器件的热场、机械场通过接触热场、热膨胀系数、接触面磨损量计算存在耦合关系。

6.根据权利要求5所述的一种压接型IGBT器件微动磨损失效演化的数值模拟方法，其特征在于：所述压接型IGBT器件微动磨损失效过程中接触面相对粗糙度、相对斜率变化对器件接触热阻、接触电阻产生影响，使器件性能参数发生变化；

所述5个接触面表面都存在接触热阻、接触电阻，接触热阻与接触电阻的换算公式为：

器件的接触热阻、接触电阻受接触面相对粗糙度、相对斜率的影响，其中，h_c是接触导热系数，h_e是接触电导率，k_s是接触界面导热系数的调和平均数，q_s是接触界面电导率的调和平均数，m是表面相对斜率，r是表面相对粗糙度，P为接触压力，H_c为材料微硬度。

7.根据权利要求6所述的一种压接型IGBT器件微动磨损失效演化的数值模拟方法，其特征在于：所述压接型IGBT器件微动磨损失效等效模型步骤S6具体为：

S61：建立压接型IGBT器件有限元模型，设置芯片表面铝镀层厚度，器件内各接触层相对粗糙度、相对斜率，器件接触热阻、接触电阻计算公式；

S62：设置芯片铝镀层厚度磨损极限值为仿真停止断点，考虑铝镀层磨损后导致栅氧化层失效为最终失效状态；

S62：仿真计算器件在一次功率循环下接触面压强、相对位移变化规律；

S63：计算一次功率循环后接触面相对粗糙度、相对斜率变化量；

S64：接触面相对粗糙度、相对斜率迭代进入仿真前模型，进行一次功率循环仿真，并重复S62～S64；

S65：判断IGBT芯片与发射极钼层表面相对粗糙度最大磨损深度是否大于芯片铝镀层厚度极限值，当磨损深度大于铝镀层厚度极限值时结束仿真；

S66：提取不同功率循环过程后电压、结温等仿真结果，得到压接型IGBT器件微动磨损失效过程特征参数变化。

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