CN113239653B - 基于复合失效模式耦合的igbt寿命预测方法及系统 - Google Patents

基于复合失效模式耦合的igbt寿命预测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于复合失效模式耦合的IGBT寿命预测方法及系统，首先计算键合引线与焊料层的联立失效概率模型；然后计算联立失效概率模型的期望并记作耦合作用下的寿命；建立耦合函数关系式；预测焊料层与键合引线各自的寿命；建立不考虑耦合作用的IGBT寿命预测模型；建立考虑耦合作用的IGBT寿命预测模型。本发明能对焊料层与键合引线耦合作用下的IGBT模块进行更准确的寿命预测。

Description

基于复合失效模式耦合的IGBT寿命预测方法及系统
技术领域
本发明属于IGBT寿命预测技术领域，更具体地，涉及一种基于复合失效模式耦合的IGBT寿命预测方法及系统。
背景技术
绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)作为目前电器领域重要的功率半导体开关，已经广泛运用于包括轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等诸多领域，尤其在清洁能源、柔性直流输电等技术领域有重要运用。由于IGBT是用电压控制的功率开关，在工作时，IGBT往往会承受数百甚至数千伏特的电压。高电压大功率的工作环境，不仅对IGBT模块封装的绝缘性能提出了很高的要求，这种环境往往也导致IGBT在运行过程中产生很大的损耗。这些损耗以热能的形式向外传递，使IGBT芯片的温度升高，降低了IGBT模块的可靠性。
IGBT模块的寿命预测是可靠性研究的重要内容。目前寿命预测模型可以分为两类，分别为经验寿命模型和物理寿命模型。经验寿命模型通过实验得到历史数据，并用数据对含有待定系数的公式进行拟合，最后得到用于寿命预测的经验模型。Bayerer提出的Bayerer模型由于考虑了最大结温、结温波动、升温时间、负载直流电流、键合引线直径以及模块耐压值等因素，所以具有最高的预测精度。但是过多的待定系数无疑增大了拟合的难度，使Bayerer模型很难使用在实际的工程中。物理寿命模型是基于故障物理学而发展起来的模型，流行于90年代。其通常从IGBT模块失效的本质出发，考虑材料在工作过程中的应变与断裂过程。这些寿命模型研究中也存在着共同的不足之处：(1)没有考虑到随机概率分布对寿命的影响；(2)大多数只针对IGBT模块具体一种失效模型进行寿命预测。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于复合失效模式耦合的IGBT寿命预测方法及系统，在寿命预测上具有更高的精度。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于复合失效模式耦合的IGBT寿命预测方法，包括：
S1：由焊料层的失效概率分布及键合引线的失效概率分布，计算键合引线与焊料层的联立失效概率模型；
S2：计算联立失效概率模型的期望并记作耦合作用下的寿命；
S3：由焊料层的失效概率分布及键合引线的失效概率分布，计算焊料层与键合引线寿命的差值百分比，以焊料层与键合引线寿命的差值百分比为输入，以耦合前与耦合后的寿命变化率为输出，建立耦合函数关系式；
S4：预测焊料层与键合引线各自的寿命；
S5：建立不考虑耦合作用的IGBT寿命预测模型；
S6：建立考虑耦合作用的IGBT寿命预测模型，由考虑耦合作用的IGBT寿命预测模型进行寿命预测。
在一些可选的实施方案中，步骤S1包括：
S1.1：由
Figure BDA0003029286030000021
表征焊料层的失效概率分布，由
Figure BDA0003029286030000022
表征键合引线的失效概率分布，其中，N为IGBT循环次数，f1(N)为焊料层的失效密度函数，f2(N)为键合引线的失效密度函数，m1为焊料层的失效密度函数的形状参数，m2为键合引线的失效密度函数的形状参数，η1为焊料层的失效密度函数的尺寸参数，η2为键合引线的失效密度函数的尺寸参数；
S1.2：联立焊料层的失效概率分布和键合引线的失效概率分布，得到联立的IGBT模块的失效概率模型fIGBT(N)：
Figure BDA0003029286030000031
在一些可选的实施方案中，步骤S2包括：
由
Figure BDA0003029286030000032
计算整个IGBT模块的寿命期望Nf-IGBT。
在一些可选的实施方案中，步骤S3包括：
S3.1：改变焊料层的失效概率分布的形状参数和尺寸参数，得到焊料层的寿命，改变键合引线的失效概率分布的形状参数和尺寸参数，得到键合引线的寿命，由
Figure BDA0003029286030000033
计算焊料层与键合引线寿命的差值百分比，其中，N1'为焊料层的寿命，N2'为键合引线的寿命；
S3.2：由
Figure BDA0003029286030000034
计算耦合前与耦合后的寿命变化率ΔNf-IGBT，其中，Nf-IGBT为使用联立失效概率模型计算得到的IGBT寿命；
S3.3：以焊料层与键合引线寿命的差值百分比为输入，以耦合前与耦合后的寿命变化率为输出，通过拟合建立ΔNf-IGBT与ΔN之间的耦合函数关系式。
在一些可选的实施方案中，步骤S4包括：
S4.1：使IGBT模块在不同的结温波动ΔTj与平均结温Tjm条件下进行功率循环老化实验，直至IGBT模块失效；
S4.2：筛选因焊料层而失效的IGBT模块，根据温度条件与循环次数，由
Figure BDA0003029286030000035
建立焊料层的寿命预测模型，由焊料层的寿命预测模型预测得到焊料层的寿命N1，其中A与α为待拟合常数，Ea为激活能，kB为玻尔兹曼常数；
S4.3：筛选因键合引线而失效的IGBT模块，根据温度条件与循环次数，由
Figure BDA0003029286030000041
建立键合引线的寿命预测模型，由键合引线的寿命预测模型得到键合引线的寿命N2。
在一些可选的实施方案中，步骤S5包括：
在不同的温度条件下，取较快失效部位的寿命作为整个IGBT模块的寿命，建立不考虑耦合作用的寿命预测模型：NIGBT＝min{N1,N2}。
在一些可选的实施方案中，步骤S6包括：
在不同的温度条件下，取较快失效部位的寿命作为整个IGBT模块的寿命，并基于耦合函数关系式建立考虑耦合作用的寿命预测模型：NIGBT＝(1-ΔNf-IGBT)min{N1,N2}。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于复合失效模式耦合的IGBT寿命预测系统，包括：
联立失效概率模型构建模块，用于由焊料层的失效概率分布及键合引线的失效概率分布，计算键合引线与焊料层的联立失效概率模型；
耦合寿命计算模块，用于计算联立失效概率模型的期望并记作耦合作用下的寿命；
耦合函数构建模块，用于由焊料层的失效概率分布及键合引线的失效概率分布，计算焊料层与键合引线寿命的差值百分比，以焊料层与键合引线寿命的差值百分比为输入，以耦合前与耦合后的寿命变化率为输出，建立耦合函数关系式；
焊料层与键合引线寿命计算模块，用于预测焊料层与键合引线各自的寿命；
第一寿命预测模块建立模块，用于建立不考虑耦合作用的IGBT寿命预测模型；
第二寿命预测模块建立模块，用于建立考虑耦合作用的IGBT寿命预测模型，由考虑耦合作用的IGBT寿命预测模型进行寿命预测。
按照本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)在焊料层与键合引线寿命接近时，由于考虑了两者的耦合作用，可以更为准确的对IGBT模块进行寿命预测；
(2)可以预测IGBT模块的失效模式，有利于后续的可靠性管理。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于复合失效模式耦合的IGBT寿命预测方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种寿命预测模型。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示是本发明实施例提供的一种基于复合失效模式耦合的IGBT寿命预测方法的流程示意图，包括以下步骤：
S1：由焊料层的失效概率分布及键合引线的失效概率分布，计算键合引线与焊料层的联立失效概率模型；
在本发明实施例中，在步骤S1中，计算键合引线与焊料层的联立失效概率模型的具体方法如下：
S1.1：由
Figure BDA0003029286030000051
表征焊料层的失效概率分布，由
Figure BDA0003029286030000061
表征键合引线的失效概率分布，其中，N为IGBT循环次数，f1(N)为焊料层的失效密度函数，f2(N)为键合引线的失效密度函数，m1为焊料层的失效密度函数的形状参数，m2为键合引线的失效密度函数的形状参数，η1为焊料层的失效密度函数的尺寸参数，η2为键合引线的失效密度函数的尺寸参数；
S1.2：联立焊料层的失效概率分布和键合引线的失效概率分布，得到联立的IGBT模块的失效概率模型fIGBT(N)：
Figure BDA0003029286030000062
S2：计算联立失效概率模型的期望并记作耦合作用下的寿命；
在本发明实施例中，在步骤S2中，计算联立失效概率模型的期望并记作耦合作用下的寿命的具体方法如下：
由
Figure BDA0003029286030000063
计算整个IGBT模块的寿命期望Nf-IGBT。
S3：建立耦合函数关系式；
在本发明实施例中，在步骤S3中，建立耦合函数关系式的具体方法如下：
S3.1：改变焊料层的失效概率分布的形状参数和尺寸参数，得到焊料层的寿命，改变键合引线的失效概率分布的形状参数和尺寸参数，得到键合引线的寿命，由
Figure BDA0003029286030000064
计算焊料层与键合引线寿命的差值百分比，其中，N1'为焊料层的寿命，N2'为键合引线的寿命；
S3.2：由
Figure BDA0003029286030000065
计算耦合前与耦合后的寿命变化率ΔNf-IGBT，其中，Nf-IGBT为使用联立失效概率模型计算得到的IGBT寿命；
S3.3：以焊料层与键合引线寿命的差值百分比为输入，以耦合前与耦合后的寿命变化率为输出，通过拟合建立ΔNf-IGBT与ΔN之间的耦合函数关系式。
其中，耦合函数关系式如图2所示，对其进行拟合，得到耦合函数关系式：ΔNf-IGBT＝(0.8004e-0.7471m+0.1165)·e(0.5464-0.7869m)·ΔΝ，m表示失效概率分布中的形状参数，一般通过老化实验数据统计得到。
S4：预测焊料层与键合引线各自的寿命；
在本发明实施例中，在步骤S4中，计算焊料层与键合引线各自的寿命的具体方法如下：
S4.1：对IGBT模块进行不同的温度条件下的老化实验；
具体的，使IGBT模块在不同的结温波动ΔTj与平均结温Tjm条件下进行功率循环老化实验，直至IGBT模块失效。然后统计IGBT模块的失效循环次数及其对应的IGBT模块。
S4.2：筛选因焊料层而失效的IGBT模块，根据温度条件与循环次数，由
Figure BDA0003029286030000071
建立焊料层的寿命预测模型，由焊料层的寿命预测模型预测得到焊料层的寿命N1，其中A与α为待拟合常数，Ea为激活能，kB为玻尔兹曼常数；
S4.3：筛选因键合引线而失效的IGBT模块，根据温度条件与循环次数，由
Figure BDA0003029286030000072
建立键合引线的寿命预测模型，由键合引线的寿命预测模型得到键合引线的寿命N2。
S5：建立不考虑耦合作用的IGBT寿命预测模型；
在本发明实施例中，在步骤S5中，建立不考虑耦合作用的IGBT寿命预测模型的具体方法如下：
在不同的温度条件下，取较快失效部位的寿命作为整个IGBT模块的寿命，建立不考虑耦合作用的寿命预测模型：NIGBT＝min{N1,N2}。
S6：建立考虑耦合作用的IGBT寿命预测模型，由考虑耦合作用的IGBT寿命预测模型进行寿命预测。
在本发明实施例中，在步骤S6中，建立考虑耦合作用的IGBT寿命预测模型的具体方法如下：
在不同的温度条件下，取较快失效部位的寿命作为整个IGBT模块的寿命，并基于耦合函数关系式建立考虑耦合作用的寿命预测模型：NIGBT＝(1-ΔNf-IGBT)min{N1,N2}。
本发明还提供了一种基于复合失效模式耦合的IGBT寿命预测系统，包括：
联立失效概率模型构建模块，用于由焊料层的失效概率分布及键合引线的失效概率分布，计算键合引线与焊料层的联立失效概率模型；
耦合寿命计算模块，用于计算联立失效概率模型的期望并记作耦合作用下的寿命；
耦合函数构建模块，用于由焊料层的失效概率分布及键合引线的失效概率分布，计算焊料层与键合引线寿命的差值百分比，以焊料层与键合引线寿命的差值百分比为输入，以耦合前与耦合后的寿命变化率为输出，建立耦合函数关系式；
焊料层与键合引线寿命计算模块，用于预测焊料层与键合引线各自的寿命；
第一寿命预测模块建立模块，用于建立不考虑耦合作用的IGBT寿命预测模型；
第二寿命预测模块建立模块，用于建立考虑耦合作用的IGBT寿命预测模型，由考虑耦合作用的IGBT寿命预测模型进行寿命预测。
其中，各模块的具体实施方式可以参考上述方法实施例的描述，本发明实施例将不再复述。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于复合失效模式耦合的IGBT寿命预测方法，其特征在于，包括：
S1：由焊料层的失效概率分布及键合引线的失效概率分布，计算键合引线与焊料层的联立失效概率模型；
S2：计算联立失效概率模型的期望并记作耦合作用下的寿命；
S3：由焊料层的失效概率分布及键合引线的失效概率分布，计算焊料层与键合引线寿命的差值百分比，以焊料层与键合引线寿命的差值百分比为输入，以耦合前与耦合后的寿命变化率为输出，建立耦合函数关系式；
S4：预测焊料层与键合引线各自的寿命；
S5：建立不考虑耦合作用的IGBT寿命预测模型；
S6：建立考虑耦合作用的IGBT寿命预测模型，由考虑耦合作用的IGBT寿命预测模型进行寿命预测；
步骤S1包括：
S1.1：由
Figure FDA0003621641720000011
表征焊料层的失效概率分布，由
Figure FDA0003621641720000012
表征键合引线的失效概率分布，其中，N为IGBT循环次数，f1(N)为焊料层的失效密度函数，f2(N)为键合引线的失效密度函数，m1为焊料层的失效密度函数的形状参数，m2为键合引线的失效密度函数的形状参数，η1为焊料层的失效密度函数的尺寸参数，η2为键合引线的失效密度函数的尺寸参数；
S1.2：联立焊料层的失效概率分布和键合引线的失效概率分布，得到联立的IGBT模块的失效概率模型fIGBT(N)：
Figure FDA0003621641720000013
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2包括：
由
Figure FDA0003621641720000021
计算整个IGBT模块的寿命期望Nf-IGBT。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S3包括：
S3.1：改变焊料层的失效概率分布的形状参数和尺寸参数，得到焊料层的寿命，改变键合引线的失效概率分布的形状参数和尺寸参数，得到键合引线的寿命，由
Figure FDA0003621641720000022
计算焊料层与键合引线寿命的差值百分比，其中，N1'为焊料层的寿命，N2'为键合引线的寿命；
S3.2：由
Figure FDA0003621641720000023
计算耦合前与耦合后的寿命变化率ΔNf-IGBT，其中，Nf-IGBT为使用联立失效概率模型计算得到的IGBT寿命；
S3.3：以焊料层与键合引线寿命的差值百分比为输入，以耦合前与耦合后的寿命变化率为输出，通过拟合建立ΔNf-IGBT与ΔN之间的耦合函数关系式。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S4包括：
S4.1：使IGBT模块在不同的结温波动ΔTj与平均结温Tjm条件下进行功率循环老化实验，直至IGBT模块失效；
S4.2：筛选因焊料层而失效的IGBT模块，根据温度条件与循环次数，由
Figure FDA0003621641720000024
建立焊料层的寿命预测模型，由焊料层的寿命预测模型预测得到焊料层的寿命N1，其中A与α为待拟合常数，Ea为激活能，kB为玻尔兹曼常数；
S4.3：筛选因键合引线而失效的IGBT模块，根据温度条件与循环次数，由
Figure FDA0003621641720000025
建立键合引线的寿命预测模型，由键合引线的寿命预测模型得到键合引线的寿命N2。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S5包括：
在不同的温度条件下，取较快失效部位的寿命作为整个IGBT模块的寿命，建立不考虑耦合作用的寿命预测模型：NIGBT＝min{N1,N2}。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S6包括：
在不同的温度条件下，取较快失效部位的寿命作为整个IGBT模块的寿命，并基于耦合函数关系式建立考虑耦合作用的寿命预测模型：NIGBT＝(1-ΔNf-IGBT)min{N1,N2}。
7.一种基于复合失效模式耦合的IGBT寿命预测系统，其特征在于，包括：
联立失效概率模型构建模块，用于由焊料层的失效概率分布及键合引线的失效概率分布，计算键合引线与焊料层的联立失效概率模型；
耦合寿命计算模块，用于计算联立失效概率模型的期望并记作耦合作用下的寿命；
耦合函数构建模块，用于由焊料层的失效概率分布及键合引线的失效概率分布，计算焊料层与键合引线寿命的差值百分比，以焊料层与键合引线寿命的差值百分比为输入，以耦合前与耦合后的寿命变化率为输出，建立耦合函数关系式；
焊料层与键合引线寿命计算模块，用于预测焊料层与键合引线各自的寿命；
第一寿命预测模块建立模块，用于建立不考虑耦合作用的IGBT寿命预测模型；
第二寿命预测模块建立模块，用于建立考虑耦合作用的IGBT寿命预测模型，由考虑耦合作用的IGBT寿命预测模型进行寿命预测；
所述联立失效概率模型构建模块，具体用于执行以下操作：
由
Figure FDA0003621641720000031
表征焊料层的失效概率分布，由
Figure FDA0003621641720000041
表征键合引线的失效概率分布，其中，N为IGBT循环次数，f1(N)为焊料层的失效密度函数，f2(N)为键合引线的失效密度函数，m1为焊料层的失效密度函数的形状参数，m2为键合引线的失效密度函数的形状参数，η1为焊料层的失效密度函数的尺寸参数，η2为键合引线的失效密度函数的尺寸参数；
联立焊料层的失效概率分布和键合引线的失效概率分布，得到联立的IGBT模块的失效概率模型fIGBT(N)：
Figure FDA0003621641720000042
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6任一项所述方法的步骤。
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