CN113033032A - 热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳裂纹扩展仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳裂纹扩展仿真方法，基于功率半导体器件电‑热‑力多场耦合模型精确模拟功率半导体器件电、热、力学行为，可以定量提取热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳变形力学特征量时变与分布信息；基于材料疲劳理论计算焊料单元疲劳损伤，根据焊料性能特点自由选择疲劳模型，在获取单元累积的总疲劳损伤基础上对焊料单元刚度系数矩阵进行线性比例缩减修正并反馈回功率半导体器件多场耦合模型，实现焊料疲劳与功率半导体电、热、力学特性的耦合关联，开展有限元与疲劳损伤计算循环迭代仿真，能够精确刻画功率半导体器件热循环过程中焊料疲劳裂纹扩展规律。

Description

热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳裂纹扩展仿真方法

技术领域

本发明属于电力电子器件与装置可靠性技术领域，具体涉及一种热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳裂纹扩展仿真方法。

背景技术

电能变换模块通过功率元器件组合使用，基于各种调控策略实现电能“数字化”存储和变换，其中以IGBT为代表的功率半导体器件是控制电能开断的关键器部件，功率半导体器件是影响装置整体性能和安全可靠运行的关键因素。统计数据显示，在功率变流器的各个部件中，约40％的变流器失效都是由于功率半导体引起的，而维修排除这些故障所消耗的时间占总故障的时间60％以上。功率半导体器件属于典型异质复合结构，其正常电气功能的实现依赖于封装结构完整性。由于器件各封装材料之间存在热膨胀系数差异，当器件内部温度场反复波动时，不同封装结构之间产生扰动的热应力。在扰动热应力长期作用下封装材料内部微观结构缺陷不断萌生聚集，材料电、热传导及绝缘机械等性能退化，导致器件内部电热环境恶化，保证器件安全运行的电热边界也将发生动态退变。在电力电子装置运行初期，通过安全设计功率半导体器件可满足安全运行需求，但是随着功率半导体器件服役时间增长，由于其电热安全边界发生动态退化，器件发生瞬态电热击穿失效的概率大大增加，对电能变换模块安全可靠运行造成了极大威胁，严重制约了电力电子装置性能提升与长期运行可靠性。由此可见，精确刻画长期服役过程中IGBT器件电热特性动态退化规律成为优化设计电能变换模块，以保障其安全可靠运行亟待解决的关键问题之一。

焊料层疲劳是功率半导体器件最主要的封装失效模式之一，焊料层作为功率半导体器件(包括模块式和压接式)内部重要的封装结构，承担电流传导、散热以及机械固定支持等作用，对器件实现完整电气功能必不可少。目前市售主流功率半导体器件产品最广泛采用的是锡基合金材料(包括锡/铅合金和锡/银 /铜无铅合金等系列)，该类材料具有熔点低、延展性好、润湿性和化学兼容性好等优点，但是也存在强度低、抗疲劳特性差等缺点。在功率半导体器件长期服役过程中扰动热应力作用使得焊料合金发生粘塑性变形，材料内部不断累积形变能，促使材料原子键断裂和微观缺陷萌生，微观缺陷聚集形成疲劳裂纹并持续扩展。由于疲劳裂纹破坏焊料层结构完整性，焊料电热传导能力和机械强度随之下降，特别是依靠自由电子和原子晶格振动(声子)传导机制的导热性能将受到严重影响，导致器件内部温度不断升高，而结温升高又进一步增加器件损耗，导致器件内部电热应力增加，加速焊料层疲劳进程，形成了自加速失效循环。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术问题，提供一种热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳裂纹扩展仿真方法，实现对功率半导体器件热循环过程中封装结构热失配导致的焊料疲劳裂纹扩展过程进行量化表征，旨在为动态评估功率半导体器件长期服役过程中电热特性退化规律提供技术支撑。

为实现上述目的，本发明所设计的热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳裂纹扩展仿真方法，具体过程为：

1)根据功率半导体器件的封装结构尺寸和焊料层的材料组成重构功率半导体器件几何模型，并将焊料层划分为若干个焊料单元格；

2)建立功率半导体器件电气模型

建立功率半导体器件电气模型，结合功率半导体器件实际工况，确定电路仿真参数和初始结温条件，并进行功率半导体器件损耗的仿真计算，实时提取功率半导体器件的损耗；

3)建立功率半导体器件电-热-力耦合模型

将功率半导体器件几何模型导入有限元仿真平台，根据功率半导体器件的类型和实际工况，确定传热边界条件及力学边界条件并进行热-力耦合建模；结合传热边界条件、力学边界条件和步骤2)提取的损耗进行热-力耦合有限元仿真计算，并提取器件芯片的平均温度、焊料单元格编号、焊料单元格三维位置坐标、焊料单元格传热系数矩阵、焊料单元格力学刚度系数矩阵和焊料单元格的粘塑性变形力学特征量；然后将器件芯片的平均温度反馈给电气模型，建立功率半导体器件的电-热-力耦合模型；

4)计算在一个仿真步增量内功率半导体器件所有焊料单元格的累积疲劳损伤；

5)基于每个焊料单元格的累积疲劳损伤，采取线性比例缩减原则修正步骤3)提取的每个焊料单元格的传热系数矩阵和力学刚度系数矩阵，并将修正后的每个焊料单元格的传热系数矩阵和力学刚度系数矩阵反馈回功率半导体器件热- 力耦合模型，更新热-力耦合模型中的每个焊料单元格的传热系数矩阵和力学刚度系数矩阵，实现焊料层疲劳与功率半导体器件内部电、热、力多物理场耦合；

6)重复步骤4)～步骤5)进行循环迭代仿真，提取每一循环仿真步后焊料单元格的总累积疲劳损伤；当焊料单元格的总累积疲劳损伤达到预设阈值时判定该焊料单元格为完全疲劳失态单元格，否则为未完全疲劳失效单元格；结合步骤3)提取的焊料单元格编号及焊料单元格三维位置坐标可视化输出每一仿真步后焊料单元格的累积疲劳损伤失效状态分布情况，通过不同循环仿真步后焊料单元格的总累积疲劳损伤失效状态演变情况量化表征焊料疲劳裂纹扩展过程；当完全疲劳失效单元格面积占焊料层总面积比达到预设的失效阈值时，判定功率半导体器件因焊料层疲劳而完全失效，结束仿真循环。

进一步地，所述步骤3)中，粘塑性变形力学特征量包括粘塑性耗散能密度累积速率

和粘塑性应变。

进一步地，所述步骤4)的具体过程为：

41)基于Miner线性累积疲劳损伤原理，则焊料单元格在Δn内累积疲劳损伤D增量定义为：

其中，k为仿真步的步计数，Δn为步增量，

为焊料裂纹萌生疲劳损伤增量、

为焊料裂纹扩展疲劳损伤增量；

计算焊料单元格第k仿真步的累积疲劳损伤：

其中，

为焊料第k仿真步后累积的总焊料裂纹萌生疲劳损伤、

为焊料第k仿真步后累积的总焊料裂纹扩展疲劳损伤；

42)循环步骤41)计算所有的焊料单元格的的累积疲劳损伤。

进一步地，所述步骤5)中修正的具体过程为：

若焊料单元格的焊料裂纹扩展疲劳损伤大于0，下一循环仿真步前采取线性比例缩减原则将提取的焊料单元格的焊料传热系数矩阵[λ_k]和力学刚度系数矩阵[E_k]乘以修正系数

并反馈回热-应力耦合模型：

式中，[λ_k+1]为下一循环仿真步焊料单元格的焊料传热系数矩阵、[E_k+1]为下一循环仿真步焊料单元格的焊料力学刚度系数矩阵。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)基于功率半导体器件电-热-力多场耦合模型精确模拟功率半导体器件电、热、力学行为，可以定量提取热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳变形力学特征量时变与分布信息；

2)基于材料疲劳理论计算焊料单元疲劳损伤，根据焊料性能特点自由选择疲劳模型，在获取单元累积的总疲劳损伤基础上对焊料单元刚度系数矩阵进行线性比例缩减修正并反馈回功率半导体器件多场耦合模型，实现焊料疲劳与功率半导体电、热、力学特性的耦合关联，开展有限元与疲劳损伤计算循环迭代仿真，能够精确刻画功率半导体器件热循环过程中焊料疲劳裂纹扩展规律。

3)采用所建立的热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳裂纹扩展仿真方法可以对功率半导体器件热循环条件下焊料疲劳失效规律进行量化表征，为动态评估功率半导体器件长期服役过程中电热特性动态退化奠定方法基础，从而为电能变换模块精细化设计及长期运行可靠性评估提供技术支持。

附图说明

图1为本发明热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳裂纹扩展仿真方法流程框图；

图2为实施例1IGBT模块功率循环测试电路模型；

图3为实施例1焊料粘塑性耗散能密度累积速率分布云图；

图4为实施例1功率半导体器件结温波动曲线及焊料单元平均粘塑性耗散能密度累积曲线；

图5为实施例1热循环条件下IGBT焊料单元疲劳损伤计算原理图；

图6为实施例1特定循环仿真步后IGBT芯片焊料疲劳开裂区域分布(红色为已开裂区域)；

图7为实施例1功率循环考核过程中IGBT芯片焊料疲劳开裂区域分布(白色为已开裂区域)；

图8为实施例2温度循环载荷曲线图；

图9为实施例2IGBT基板焊料层单元粘塑性耗散能密度累积曲线；

图10为实施例2温度循环载荷曲线和IGBT基板焊料层单元粘塑性耗散能密度累积曲线；

图11为实施例2温度循环过程IGBT基板焊料层疲劳裂纹扩展过程有限元仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明作进一步的详细说明。

热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳裂纹扩展仿真方法，如图1所示，具体过程为：

1)根据功率半导体器件的封装结构尺寸和焊料层的材料组成重构功率半导体器件几何模型，并将焊料层划分为若干个焊料单元格；

2)建立功率半导体器件电气模型

根据器件数据手册提供的I-V输出特性曲线进行分段线性插值，基于 MATLAB/SIMULINK、PLECS等建立功率半导体器件电气模型，结合功率半导体器件实际工况，确定电路仿真参数和初始结温条件，并进行功率半导体器件损耗的仿真计算，实时提取功率半导体器件的损耗；

3)建立功率半导体器件电-热-力耦合模型

将功率半导体器件几何模型导入有限元仿真平台(ANASYS、ABAQUS或 COMSOL等)，根据功率半导体器件的类型和实际工况，确定传热边界条件及力学边界条件并进行热-力耦合建模；结合传热边界条件、力学边界条件和步骤2) 提取的损耗进行热-力耦合有限元仿真计算，并提取器件芯片的平均温度、焊料单元格编号、焊料单元格三维位置坐标、焊料单元格传热系数矩阵、焊料单元格力学刚度系数矩阵和焊料单元格的粘塑性变形力学特征量(粘塑性变形力学特征量包括粘塑性耗散能密度累积速率

粘塑性应变)；然后将器件芯片的平均温度反馈给电气模型，建立功率半导体器件的电-热-力耦合模型；

4)计算在一个仿真步增量内功率半导体器件所有焊料单元格的累积疲劳损伤

焊料单元格疲劳损伤计算的假设条件为：在热循环周次内焊料疲劳损伤对 IGBT器件内温度场和应力场影响小，以该热循环周次为仿真步增量，认为在一个仿真步增量内IGBT器件受恒定幅值循环热应力载荷作用，满足Miner疲劳损伤线性累加法则要求；

基于该假设条件，根据粘塑性变形力学特征量，结合Darveaux模型计算一个仿真步增量内焊料单元格的累积疲劳损伤，焊料单元格的累积疲劳损伤包括焊料裂纹萌生损伤和焊料裂纹扩展疲劳损伤，Darveaux模型为：

其中，N_f为焊料单元的累积疲劳寿命，N_i为焊料单元萌生微观裂纹所需热循环周次，N_p为焊料单元裂纹萌生后至扩展至失效所需循环周次，

为粘塑性耗散能密度累积速率；k₁～k₄为焊料疲劳特性参数，可根据已有的文献报道或拟合材料疲劳裂纹扩展测试数据获得，L_c为焊料单元格特征尺寸参数，由焊料有限元模型单元网格划参数分确定。

41)基于Miner线性累积疲劳损伤原理，则焊料单元格在Δn内累积疲劳损伤D增量定义为：

其中，k为仿真步的步计数，Δn为步增量，

为焊料裂纹萌生疲劳损伤增量、

为焊料裂纹扩展疲劳损伤增量；

计算焊料单元格第k仿真步的累积疲劳损伤：

其中，

为焊料第k仿真步后累积的总焊料裂纹萌生疲劳损伤、

为焊料第k仿真步后累积的总焊料裂纹扩展疲劳损伤；

42)循环步骤41)计算所有的焊料单元格的的累积疲劳损伤；

5)基于每个焊料单元格的累积疲劳损伤，采取MATLAB或C等语言采取线性比例缩减原则修正步骤3)提取的每个焊料单元格的传热系数矩阵和力学刚度系数矩阵，并将修正后的每个焊料单元格的传热系数矩阵和力学刚度系数矩阵反馈回功率半导体器件热-力耦合模型，更新热-力耦合模型中的每个焊料单元格的传热系数矩阵和力学刚度系数矩阵，实现焊料层疲劳与功率半导体器件内部电、热、力等多物理场耦合；

具体修正为：若焊料单元格的焊料裂纹扩展疲劳损伤大于0，表示该焊料单元格产生了实质疲劳损伤，影响IGBT内部热、力等物理场，因此，下一循环仿真步前采取线性比例缩减原则将提取的焊料单元格的焊料传热系数矩阵[λ_k]和力学刚度系数矩阵[E_k]乘以修正系数

并反馈回热-应力耦合模型：

式中，[λ_k+1]为下一循环仿真步(第k+1仿真步)焊料单元格的焊料传热系数矩阵、[E_k+1]为下一循环仿真步(第k+1仿真步)焊料单元格的焊料力学刚度系数矩阵；

6)重复步骤4)～步骤5)进行循环迭代仿真，提取每一循环仿真步后焊料单元格的总累积疲劳损伤；当焊料单元格的总累积疲劳损伤达到预设阈值时判定该焊料单元格为完全疲劳失态单元格，否则为未完全疲劳失效单元格；结合步骤3)提取的焊料单元格编号及焊料单元格三维位置坐标采用MATLAB或C 等语言可视化输出每一仿真步后焊料单元格的累积疲劳损伤失效状态分布情况，通过不同循环仿真步后焊料单元格的总累积疲劳损伤失效状态演变情况量化表征焊料疲劳裂纹扩展过程；当完全疲劳失效单元格面积占焊料层总面积比达到预设的失效阈值时，判定功率半导体器件因焊料层疲劳而完全失效，结束仿真循环；

具体过程为：检索每一循环仿真步后所有焊料单元格

当焊料单元格

大于设定阈值(通常为0.9)时判定该焊料单元格为完全疲劳失效单元格，否则未完全疲劳失效单元格；结合焊料单元格编号及焊料单元格三维位置坐标，将每一循环仿真步后所有焊料单元格疲劳失效状态输出并绘制焊料单元失效状态分布云图；通过不同循环仿真步后焊料单元格疲劳失效状态分布演变趋势来定量表征热循环过程中焊料疲劳裂纹扩展过程，并计算每一循环仿真步后完全疲劳失效焊料单元占焊料总面积比，当该面积占比超过预设的阈值(通常为50％) 时判定该IGBT器件已完全疲劳失效并结束仿真循环。

采用热循环考核和超声无损检测相结合的方法，对上述提出的热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳裂纹扩展仿真方法进行实验验证。

实施例1

以一款1200V/50A模块式绝缘栅双极型晶体管(IGBT)功率循环条件下芯片焊料疲劳失效为例，对所建立的热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳裂纹扩展仿真方法进行详细描述。

首先，IGBT模块几何建模。通过机械解剖结合实验测量的方式获取IGBT 内部封装结构材料组成以及几何尺寸等参数，基于计算机辅助制图软件 SOLIDWORKS和AutoCAD重构IGBT三维几何模型。考虑半桥结构IGBT模块对称性以及IGBT模块外壳、硅胶、导电端子等封装结构对焊料热应力状态影响较小，因此为了简化计算IGBT模块几何模型进行了相应简化。

其次，IGBT模块电-热-力耦合建模。基于器件数据手册提供的I-V输出特性曲线进行分段线性插值，建立IGBT功率循环电气模型，在 MATLAB/SIMULINK中搭建IGBT功率循环测试电路，如图2所示，开展电热耦合仿真，输出功率循环过程中IGBT模块芯片损耗。在COMSOL有限元平台中建立IGBT热-力耦合模型，将电气模型输出的IGBT损耗平均加载至芯片有源区，设置IGBT模块底板对流散热边界条件，对流换热系数为3000W/(m²·K)，初始温度条件为25℃。该IGBT器件芯片焊料为低熔点、低强度、高塑性的 SAC305合金材料，因此材料本构模型选用目前最广泛应用的统一ANAND模型来描述焊料合金力学行为，其余材料则采用理想线弹性模型，材料性能参数根据已有的文献报道或拟合材料力学性能测试数据获得，表1～2所示为SAC305 合金材料ANAND本构模型参数及器件其他材料物理性能参数。

表1某SAC305焊料合金ANAND模型参数

表2热力耦合仿真材料物性参数

基于建立的功率半导体器件电-热-应力多场耦合模型，开展功率循环条件下的电-热-应力多场耦合仿真，循环参数为恒定导通80A电流加热芯片1.00秒，关断1.00秒冷却，单一仿真步开展5个周期仿真以保证器件达到热循环稳态。根据SAC305焊料合金力学性能特点，采用基于能量的DARVEAUX模型来计算焊料疲劳损伤。因此，仿真结束后提取热循环稳态时焊料单元格力学特征量—粘塑性耗散能密度累积速率

如图3、图4所示，并同步焊料单元格编号、焊料单元格三维位置坐标、焊料单元格传热系数矩阵、焊料单元格力学刚度系数矩阵。

再次，基于已提取的焊料单元粘塑性耗散能密度累积速率

结合 DARVEAUX模型计算焊料裂纹萌生损伤和裂纹扩展疲劳损伤，DARVEAUX模型原理如下所示：

其中，N_f为焊料单元的累积疲劳寿命，N_i为焊料单元萌生微观裂纹所需热循环周次，N_p为焊料单元裂纹萌生后至扩展至失效所需循环周次，

为粘塑性耗散能密度累积速率；k₁～k₄为焊料疲劳特性参数，可根据已有的文献报道或拟合材料疲劳裂纹扩展测试数据获得(SAC305:k₁＝41.2、k₂＝-1.433、k₃＝0.003718、 k₄＝1.768)，L_c为焊料单元格特征尺寸参数，由焊料有限元模型单元网格划参数分确定(本实施例焊料单元格特征尺寸为0.2mm)。

以第k仿真步(设步增量为Δn)为例，基于Miner线性累积疲劳损伤原理，则焊料单元格在Δn内累积的疲劳损伤D增量定义为：

其中，k为仿真步的步计数，Δn为步增量，

为焊料裂纹萌生疲劳损伤增量、

为焊料裂纹扩展疲劳损伤增量；

计算焊料单元格第k仿真步的累积疲劳损伤：

其中，

为焊料第k仿真步后累积的总焊料裂纹萌生疲劳损伤、

为焊料第k仿真步后累积的总焊料裂纹扩展疲劳损伤。

根据焊料疲劳原理，焊料单元格首先发生的是疲劳裂纹萌生，裂纹萌生后将持续扩展至失效，裂纹萌生损伤和裂纹扩展损伤是依次发生的，因此只有当单元格裂纹萌生损伤达到阈值后裂纹扩展损伤才发生，焊料单元格疲劳损伤计算逻辑框图如图5所示。

随后，若焊料单元格裂纹扩展疲劳损伤大于0，表示该单元产生了实质疲劳损伤，影响IGBT内部热、力等物理场，因此，下一循环仿真步前采取线性比例缩减原则将提取的焊料单元格传热系数矩阵[λ_k]和力学刚度系数矩阵[E_k]乘以修正系数

并反馈回IGBT热-力耦合模型：

式中[λ_k+1]和[E_k+1]分别为下一循环仿真步(第k+1仿真步)焊料单元格传热系数矩阵和力学刚度系数矩阵。

最后，检索每一循环仿真步后所有焊料单元格

当焊料单元格

大于设定阈值(通常为0.9)时判定该单元格完全疲劳失效状态，否则未完全疲劳失效状态；结合焊料单元格三维位置坐标，将每一循环仿真步后所有焊料单元格疲劳失效状态输出并绘制焊料单元失效状态分布云图；通过不同循环仿真步后焊料单元格疲劳失效状态分布演变趋势来定量表征热循环过程中焊料疲劳裂纹扩展过程，如图6所示，并计算每一循环仿真步后完全疲劳失效焊料单元占焊料总面积比，当该面积占比超过设定的阈值(通常为50％)时判定该IGBT器件已完全疲劳失效并结束仿真循环。

最后，在相同条件下开展IGBT模块功率循环考核，采用超声扫描显微对循环考核过程中芯片焊料层疲劳裂纹扩展情况进行实验测量，如图7所示。当功率循环周次低于40000次时，芯片焊料层基本不产生疲劳裂纹，处于裂纹萌生阶段，随后疲劳裂纹逐渐在芯片焊料中心区域萌生，并不断向边缘扩展。由此可见，仿真与实验结果在开裂区域及扩展速率等方面基本一致，有力证明了本发明所建立的热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳裂纹扩展仿真方法的正确性。

实施例2

温度循环是功率半导体器件所面临的另一种常见的热循环过程，是由于外部环境温度周期性波动，造成器件内部温度波动。温度循环条件下功率半导体器件不发生开关动作，通过控制外部环境温度变化来实现对器件基板焊料的疲劳考核，因此在本实施例中将实施例一中所采用的IGBT电-热-应力耦合模型进一步简化为热-应力耦合模型，进行温度循环条件下IGBT基板焊料疲劳裂纹扩展仿真研究。设置环境温度波动如图8所示，环境温度在-55℃至125℃之间循环波动，切换时温度变化速率为36℃/min(切换时间5min)，平衡段保温时间 25min，单仿真步仿真时长为18000s(5个循环周次)，提取基板焊料层平均粘塑性耗散能密度累积速率如图9所示。其余步骤与实施例一完全一致，在该条件下仿真得到的IGBT基板焊料层疲劳裂纹扩展过程，如图10所示。

为了对上述仿真结果进行验证，选取同型号IGBT模块在相同条件下开展温度循环实验(-55℃/+125℃,温度变化速率36℃/min,保温时间25min)，并利用超声扫描显微(SAM)对温度循环过程中的IGBT基板焊料层疲劳裂纹扩展情况进行实验观测，如图11所示。实验结果显示，150次温度循环前，IGBT基板焊料层SAM观测结果无明显变化，表明焊料层处于疲劳裂纹萌生阶段；约250次温度循环后，在基板焊料层边界位置率先萌生出疲劳裂纹，尔后随着循环周次增加，逐渐向中心扩展；当循环周次达到750次时，基板焊料层已大面积裂开。对比有限元仿真与实验结果发现，在裂纹萌生位置、扩展方向及扩展速率等方面均基本一致，有力的验证了所建立的功率半导体器件热循环条件下焊料疲劳开裂仿真方法在表征功率半导体器件疲劳裂纹扩展规律方面的准确性。

Claims (4)

1.一种热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳裂纹扩展仿真方法，其特征在于：所述仿真方法具体过程为：

1)根据功率半导体器件的封装结构尺寸和焊料层的材料组成重构功率半导体器件几何模型，并将焊料层划分为若干个焊料单元格；

2)建立功率半导体器件电气模型

建立功率半导体器件电气模型，结合功率半导体器件实际工况，确定电路仿真参数和初始结温条件，并进行功率半导体器件损耗的仿真计算，实时提取功率半导体器件的损耗；

3)建立功率半导体器件电-热-力耦合模型

将功率半导体器件几何模型导入有限元仿真平台，根据功率半导体器件的类型和实际工况，确定传热边界条件及力学边界条件并进行热-力耦合建模；结合传热边界条件、力学边界条件和步骤2)提取的损耗进行热-力耦合有限元仿真计算，并提取器件芯片的平均温度、焊料单元格编号、焊料单元格三维位置坐标、焊料单元格传热系数矩阵、焊料单元格力学刚度系数矩阵和焊料单元格的粘塑性变形力学特征量；然后将器件芯片的平均温度反馈给电气模型，建立功率半导体器件的电-热-力耦合模型；

4)计算在一个仿真步增量内功率半导体器件所有焊料单元格的累积疲劳损伤；

5)基于每个焊料单元格的累积疲劳损伤，采取线性比例缩减原则修正步骤3)提取的每个焊料单元格的传热系数矩阵和力学刚度系数矩阵，并将修正后的每个焊料单元格的传热系数矩阵和力学刚度系数矩阵反馈回功率半导体器件热-力耦合模型，更新热-力耦合模型中的每个焊料单元格的传热系数矩阵和力学刚度系数矩阵，实现焊料层疲劳与功率半导体器件内部电、热、力多物理场耦合；

6)重复步骤4)～步骤5)进行循环迭代仿真，提取每一循环仿真步后焊料单元格的总累积疲劳损伤；当焊料单元格的总累积疲劳损伤达到预设阈值时判定该焊料单元格为完全疲劳失态单元格，否则为未完全疲劳失效单元格；结合步骤3)提取的焊料单元格编号及焊料单元格三维位置坐标可视化输出每一仿真步后焊料单元格的累积疲劳损伤失效状态分布情况，通过不同循环仿真步后焊料单元格的总累积疲劳损伤失效状态演变情况量化表征焊料疲劳裂纹扩展过程；当完全疲劳失效单元格面积占焊料层总面积比达到预设的失效阈值时，判定功率半导体器件因焊料层疲劳而完全失效，结束仿真循环。

2.根据权利要求1所述热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳裂纹扩展仿真方法，其特征在于：所述步骤3)中，粘塑性变形力学特征量包括粘塑性耗散能密度累积速率

和粘塑性应变。

3.根据权利要求1所述热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳裂纹扩展仿真方法，其特征在于：所述步骤4)的具体过程为：

41)基于Miner线性累积疲劳损伤原理，则焊料单元格在Δn内累积疲劳损伤D增量定义为：

其中，k为仿真步的步计数，Δn为步增量，

为焊料裂纹萌生疲劳损伤增量、

为焊料裂纹扩展疲劳损伤增量；

计算焊料单元格第k仿真步的累积疲劳损伤：

其中，

为焊料第k仿真步后累积的总焊料裂纹萌生疲劳损伤、

为焊料第k仿真步后累积的总焊料裂纹扩展疲劳损伤；

42)循环步骤41)计算所有的焊料单元格的的累积疲劳损伤。

4.根据权利要求1所述热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳裂纹扩展仿真方法，其特征在于：所述步骤5)中修正的具体过程为：

若焊料单元格的焊料裂纹扩展疲劳损伤大于0，下一循环仿真步前采取线性比例缩减原则将提取的焊料单元格的焊料传热系数矩阵[λ_k]和力学刚度系数矩阵[E_k]乘以修正系数

并反馈回热-应力耦合模型：

式中，[λ_k+1]为下一循环仿真步焊料单元格的焊料传热系数矩阵、[E_k+1]为下一循环仿真步焊料单元格的焊料力学刚度系数矩阵。

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