CN113379165A - 基于igbt模块焊点退化状态的寿命预测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测方法及系统，该方法包括：启动对目标IGBT模块的焊料层的超声波扫描；根据超声波扫描结果确定焊料层各焊点的空洞情况；根据空洞情况确定目标IGBT模块的焊料层对应的等级；在预设的等级寿命数据库中查询获取与等级对应的寿命标准值，并作为目标IGBT模块的寿命预测值；等级寿命数据库基于对样本IGBT模块进行加速老化功率模块循环测试的结果而生成，存储有各等级的焊料层对应的寿命标准值。本申请采用简便易操作的超声波检测技术对焊料层的空洞问题进行检测，进而可高效、准确地预测出IGBT模块的剩余寿命，帮助提高设备运维的效率与合理性，有效提高产品经济效益。
Description
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，特别涉及一种基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测方法及系统。
背景技术
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)是功率电子器件里技术较为先进的功率器件产品，目前已广泛取代传统的MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)，应用在家电、船舶、交通和电网等战略性产业中。因此，准确地检测、预测IGBT功率器件的剩余寿命，是给出合理运维指导意见、降低维修成本、保证设备可靠运行的关键。
但实际中IGBT功率器件的运用现场工况复杂，准确检测和计算IGBT模块的剩余寿命仍是当前的难点。现有技术中有些方案，基于对温度梯度或者集射极的漏电流、饱和压降进行检测，从而来监测IGBT的健康状态，进而进行寿命预测。这些方法不仅计算复杂，而且得到的结果往往误差较大。
鉴于此，提供一种解决上述技术问题的方案，已经是本领域技术人员所亟需关注的。
发明内容
本申请的目的在于提供一种基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测方法及系统，以便高效、准确地对IGBT模块进行寿命预测，帮助提高设备运维的合理性与可靠性。
为解决上述技术问题，一方面，本申请公开了一种基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测方法，包括：
启动对目标IGBT模块的焊料层的超声波扫描；
根据超声波扫描结果确定所述焊料层中各焊点的空洞情况；
根据空洞情况确定所述目标IGBT模块的焊料层对应的等级；
在预设的等级寿命数据库中查询获取与所述等级对应的寿命标准值，并作为所述目标IGBT模块的寿命预测值；所述等级寿命数据库基于对样本IGBT模块进行加速老化功率模块循环测试的结果而生成，存储有各等级的焊料层对应的寿命标准值。
可选地，所述等级寿命数据库的生成过程包括：
通过对各个样本IGBT模块的焊料层进行超声波扫描，分别确定各个样本IGBT模块的焊料层对应的等级；
通过对各个样本IGBT模块进行加速老化功率模块循环测试，分别确定各个样本IGBT模块的剩余寿命；
基于同等级的样本IGBT模块的剩余寿命，确定该等级对应的寿命标准值。
可选地，所述基于同等级的样本IGBT模块的剩余寿命，确定该等级对应的寿命标准值，包括：
将同等级的样本IGBT模块的剩余寿命的数学期望作为该等级对应的寿命标准值。
可选地，所述样本IGBT模块包括全新的IGBT模块和不同使用年限的IGBT模块。
可选地，所述根据超声波扫描结果确定所述焊料层的空洞情况，包括：
根据超声波扫描结果计算所述焊料层中单个焊点的平均空洞率大小、平均空洞个数、单个空洞平均面积。
可选地，所述焊料层包括以下任意一项：
母排焊料层、芯片焊料层、键合点焊料层、DCB焊料层。
又一方面，本申请公开了一种基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测系统，包括超声扫描设备、加速老化循环试验设备、以及预测处理设备；
所述加速老化循环试验设备用于对样本IGBT模块进行加速老化功率模块循环测试；所述预测处理设备用于基于样本IGBT模块的测试结果而生成等级寿命数据库，所述等级寿命数据库存储有各等级的焊料层对应的寿命标准值；
所述预测处理设备还用于启动超声扫描设备对目标IGBT模块的焊料层进行超声波扫描；并根据超声波扫描结果确定所述焊料层中各焊点的空洞情况；根据空洞情况确定所述目标IGBT模块的焊料层对应的等级；在所述等级寿命数据库中查询获取与所述等级对应的寿命标准值，并作为所述目标IGBT模块的寿命预测值。
可选地，所述预测处理设备在生成所述等级寿命数据库时，具体用于：
通过对各个样本IGBT模块的焊料层进行超声波扫描，分别确定各个样本IGBT模块的焊料层对应的等级；
通过对各个样本IGBT模块进行加速老化功率模块循环测试，分别确定各个样本IGBT模块的剩余寿命；
基于同等级的样本IGBT模块的剩余寿命，确定该等级对应的寿命标准值。
可选地，所述样本IGBT模块包括全新的IGBT模块和不同使用年限的IGBT模块。
可选地，所述预测处理设备在基于同等级的样本IGBT模块的剩余寿命，确定该等级对应的寿命标准值时，具体用于：
将同等级的样本IGBT模块的剩余寿命的数学期望作为该等级对应的寿命标准值。
可选地，所述预测处理设备在根据超声波扫描结果确定所述焊料层的空洞情况时，具体用于：
根据超声波扫描结果计算所述焊料层中单个焊点的平均空洞率大小、平均空洞个数、单个空洞平均面积。
可选地，所述焊料层包括以下任意一项：
母排焊料层、芯片焊料层、键合点焊料层、DCB焊料层。
本申请所提供的基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测方法及系统所具有的有益效果是：本申请采用简便易操作的超声波检测技术对焊料层的空洞问题进行检测，进而可高效、准确地预测出IGBT模块的剩余寿命，帮助提高设备运维的效率与合理性，有效提高了产品经济效益。
附图说明
为了更清楚地说明现有技术和本申请实施例中的技术方案，下面将对现有技术和本申请实施例描述中需要使用的附图作简要的介绍。当然，下面有关本申请实施例的附图描述的仅仅是本申请中的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图，所获得的其他附图也属于本申请的保护范围。
图1为本申请实施例公开的一种基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测方法的流程图；
图2为本申请实施例公开的一种IGBT模块焊料层焊点的空洞情况示意图；
图3为本申请实施例公开的一种等级寿命数据库的生成方法流程图；
图4为本申请实施例公开的一种基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测系统的结构框图。
具体实施方式
本申请的核心在于提供一种基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测方法及系统，以便高效、准确地对IGBT模块进行寿命预测，帮助提高设备运维的合理性与可靠性。
为了对本申请实施例中的技术方案进行更加清楚、完整地描述，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行介绍。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
IGBT作为核心部件，其可靠性和寿命历来是研究的热点和难点。随着使用年限的逐步增长，IGBT模块中母排焊点等焊层中，因焊层材料热膨胀系数的不同而会产生热应力，导致焊料层材料组织结构变化，进而使得焊料出现空洞，令热阻增大、结温升高，加速了焊料层失效。鉴于此，本申请提供了一种基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测方案，可有效解决上述问题。
参见图1所示，本申请实施例公开了一种基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测方法，主要包括：
S101：启动对目标IGBT模块的焊料层的超声波扫描。
S102：根据超声波扫描结果确定焊料层中各焊点的空洞情况。
S103：根据空洞情况确定目标IGBT模块的焊料层对应的等级。
S104：在预设的等级寿命数据库中查询获取与等级对应的寿命标准值，并作为目标IGBT模块的寿命预测值；等级寿命数据库基于对样本IGBT模块进行加速老化功率模块循环测试的结果而生成，存储有各等级的焊料层对应的寿命标准值。
具体地，本申请实施例所提供的基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测方法，具体是以基于超声波扫描技术检测到的焊料层中各焊点的空洞情况来实施寿命预测的。不同程度的空洞问题，造成了IGBT模块焊料层不同程度的失效，由此，本申请以焊料层的空洞情况为依据对IGBT模块的焊料层进行等级划分，在明确了IGBT模块焊料层所属等级之后，便可为其预测出对应的剩余寿命，帮助指导设备器件运维。
其中，超声扫描检测是一种采用高频超声波(频率高于20kHz)探测物体内部结构的无损检测技术。和其他常用于失效分析和可靠性测试的检测手段如X射线、红外成像相比，超声扫描技术可以更有效地识别表征物体的空洞特征。其中，本申请中的空洞还包括诸如分层、裂缝等其他结构缺陷。本申请通过超声扫描检测技术对IGBT模块进行无损检测，可有效发现IGBT模块焊料层的空洞、脱附等缺陷问题。
IGBT模块具体是由基板、DBC(Direct Bonding Copper，直接覆铜)陶瓷、硅芯片、上下铜层、焊料层、母排和键合线等不同材料按多层复杂结构构成的功率半导体器件。不同材料之间的结合主要是通过焊接技术连接在一起，IGBT模块在使用过程中由于机械应力、热应力和电应力的作用，焊料层组织结构会随着使用时间的增长出现疲劳和退化，退化的一个特征是焊料层出现分层空洞，导致热阻增大、结温升高，加速焊料层疲劳失效。
电气功能的实现依赖于结构的完整性，焊料层的空洞率作为一个关键指标，极大地影响了焊料层的结构完整性。一般来说，空洞率超过5％则建议更换IGBT模块,但对于超过5％空洞率的IGBT模块的生命目前未能准确进行量化。对于有一定空洞但尚可继续使用的IGBT模块，为了方便提前准备进行器件更换，提高设备运维效率，可根据当前的空洞情况实时对器件的剩余寿命进行检测和预估。
如此，本申请预先选取大量空洞问题严重程度不同的IGBT模块作为样本，制定一定的分级规则，将这些样本依据空洞问题严重程度的不同而分成不同等级。然后，通过加速老化功率模块循环测试再获取所有样本的真实剩余寿命。根据这些样本数据，本申请可建立起不同等级与剩余寿命的对应关系，得到各个等级对应的寿命标准值，从而生成等级寿命数据库。
由此，当需要对任意一个目标IGBT模块进行寿命预测时，本申请便可对其进行超声波扫描检测，得到其焊料层的空洞情况，根据其空洞情况确定该目标IGBT模块所属的等级；进而通过查阅等级寿命数据库得到该等级对应的寿命标准值，作为该目标IGBT模块的寿命预测值。
可见，本申请所提供的基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测方法，采用简便易操作的超声波检测技术对焊料层的空洞问题进行检测，进而可高效、准确地预测出IGBT模块的剩余寿命，帮助提高设备运维的效率与合理性，有效提高了产品经济效益。
作为一种具体实施例，本申请实施例所提供的基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测方法在上述内容的基础上，根据超声波扫描结果确定焊料层的空洞情况，包括：
根据超声波扫描结果计算所述焊料层中单个焊点的平均空洞率大小、平均空洞个数、单个空洞平均面积。
具体地，可将空洞率作为衡量空洞情况的一个主要参数。顾名思义，空洞率即为空洞区域总面积占整个焊点区域的比例。其中，如图2所示，图2为本申请公开的一种空洞示意图，一个焊点区域201中可能会产生大大小小的多个空洞区域202，因此在计算空洞率的大小时，需要将焊点区域内所有空洞的面积相加得到空洞区域总面积，进而计算得到空洞率。
当然，由于空洞率仅仅体现了空洞总和的占比，而并没有针对单个空洞的面积、形状、空洞的总数量进行分辨，因此，在实际计算情况允许的条件下，还可以进一步结合多种参数来表征焊料层的空洞情况。例如，还可计算一个焊点中所出现的空洞个数的平均数，即平均空洞个数；以及，还可计算焊点中单个空洞面积的平均数，即单个空洞平均面积。如此，可综合考虑单个焊点的平均空洞率大小、平均空洞个数、单个空洞平均面积这三个参数来对IGBT模块焊料层进行等级划分。
参见图3，作为一种具体实施例，本申请实施例所提供的基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测方法在上述内容的基础上，等级寿命数据库的生成过程包括：
S301：通过对各个样本IGBT模块的焊料层进行超声波扫描，分别确定各个样本IGBT模块的焊料层对应的等级。
S302：通过对各个样本IGBT模块进行加速老化功率模块循环测试，分别确定各个样本IGBT模块的剩余寿命。
S303：基于同等级的样本IGBT模块的剩余寿命，确定该等级对应的寿命标准值。
具体地，在利用大量空洞问题严重程度不同的IGBT模块样本生成等级寿命数据库的过程中，本申请可对每个样本IGBT模块进行超声波扫描检测，并根据预先制定的等级标准，确定出与其空洞情况对应的所属等级。在将所有样本IGBT模块进行等级分类完之后，再通过加速老化功率模块循环测试得到每个样本IGBT模块的剩余寿命。进而结合同等级的样本IGBT模块的剩余寿命，确定出该等级对应的寿命标准值。
其中，进一步地，在基于同等级的样本IGBT模块的剩余寿命确定出该等级对应的寿命标准值时，可具体将同等级的样本IGBT模块的剩余寿命的数学期望作为该等级对应的寿命标准值。理论上来说，当样本的选取比较客观、数量足够多时，同一等级IGBT模块的剩余寿命会服从正态分布。因此，可将所有同等级的样本IGBT模块的剩余寿命的数学期望确定为该等级的寿命标准值。
其中，需要说明的是，样本的选取需要保证客观随机，所选择的样本IGBT模块具体应包括全新的IGBT模块和各种不同使用年限的IGBT模块。
作为一种具体实施例，本申请实施例所提供的基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测方法在上述内容的基础上，焊料层包括以下任意一项：母排焊料层、芯片焊料层、键合点焊料层、DCB焊料层。
具体地，本申请所提供的IGBT模块的焊料层寿命预测方法，可具体针对的是母排焊料层，也可以是芯片焊料层，还可以是键合点焊料层、DCB焊料层等。当然，也可以针对任意多种焊料层进行寿命预测。容易理解的是，当针对多种焊料层均进行了剩余寿命预测时，应当选取其中的最小值作为最终为IGBT模块所确定的剩余寿命。
参见图4，本申请实施例还公开了一种基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测系统，包括超声扫描设备401、加速老化循环试验设备402、以及预测处理设备403；
加速老化循环试验设备用于对样本IGBT模块进行加速老化功率模块循环测试；预测处理设备403用于基于样本IGBT模块的测试结果而生成等级寿命数据库，等级寿命数据库存储有各等级的焊料层对应的寿命标准值；
预测处理设备403还用于启动超声扫描设备对目标IGBT模块的焊料层进行超声波扫描；并根据超声波扫描结果确定焊料层中各焊点的空洞情况；根据空洞情况确定目标IGBT模块的焊料层对应的等级；在等级寿命数据库中查询获取与等级对应的寿命标准值，并作为目标IGBT模块的寿命预测值。
关于上述寿命预测系统的具体内容，可参考前述关于基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测方法的详细介绍，这里就不再赘述。
作为一种具体实施例，本申请实施例所提供的基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测系统在上述内容的基础上，预测处理设备403在生成等级寿命数据库时，具体用于：
通过对各个样本IGBT模块的焊料层进行超声波扫描，分别确定各个样本IGBT模块的焊料层对应的等级；
通过对各个样本IGBT模块进行加速老化功率模块循环测试，分别确定各个样本IGBT模块的剩余寿命；
基于同等级的样本IGBT模块的剩余寿命，确定该等级对应的寿命标准值。
作为一种具体实施例，本申请实施例所提供的基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测系统在上述内容的基础上，样本IGBT模块包括全新的IGBT模块和不同使用年限的IGBT模块。
作为一种具体实施例，本申请实施例所提供的基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测系统在上述内容的基础上，预测处理设备403在基于同等级的样本IGBT模块的剩余寿命，确定该等级对应的寿命标准值时，具体用于：
将同等级的样本IGBT模块的剩余寿命的数学期望作为该等级对应的寿命标准值。
作为一种具体实施例，本申请实施例所提供的基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测系统在上述内容的基础上，预测处理设备403在根据超声波扫描结果确定焊料层的空洞情况时，具体用于：
根据超声波扫描结果计算焊料层中单个焊点的平均空洞率大小、平均空洞个数、单个空洞平均面积。
作为一种具体实施例，本申请实施例所提供的基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测系统在上述内容的基础上，焊料层包括以下任意一项：
母排焊料层、芯片焊料层、键合点焊料层、DCB焊料层。
本申请中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的设备而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需说明的是，在本申请文件中，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语，仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。此外，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测方法，其特征在于，包括：
启动对目标IGBT模块的焊料层的超声波扫描；
根据超声波扫描结果确定所述焊料层中各焊点的空洞情况；
根据空洞情况确定所述目标IGBT模块的焊料层对应的等级；
在预设的等级寿命数据库中查询获取与所述等级对应的寿命标准值，并作为所述目标IGBT模块的寿命预测值；所述等级寿命数据库基于对样本IGBT模块进行加速老化功率模块循环测试的结果而生成，存储有各等级的焊料层对应的寿命标准值。
2.根据权利要求1所述的基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测方法，其特征在于，所述等级寿命数据库的生成过程包括：
通过对各个样本IGBT模块的焊料层进行超声波扫描，分别确定各个样本IGBT模块的焊料层对应的等级；
通过对各个样本IGBT模块进行加速老化功率模块循环测试，分别确定各个样本IGBT模块的剩余寿命；
基于同等级的样本IGBT模块的剩余寿命，确定该等级对应的寿命标准值。
3.根据权利要求2所述的基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测方法，其特征在于，所述基于同等级的样本IGBT模块的剩余寿命，确定该等级对应的寿命标准值，包括：
将同等级的样本IGBT模块的剩余寿命的数学期望作为该等级对应的寿命标准值。
4.根据权利要求3所述的基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测方法，其特征在于，所述样本IGBT模块包括全新的IGBT模块和不同使用年限的IGBT模块。
5.根据权利要求4所述的基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测方法，其特征在于，所述根据超声波扫描结果确定所述焊料层的空洞情况，包括：
根据超声波扫描结果计算所述焊料层中单个焊点的平均空洞率大小、平均空洞个数、单个空洞平均面积。
6.根据权利要求1至5任一项所述的基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测方法，其特征在于，所述焊料层包括以下任意一项：
母排焊料层、芯片焊料层、键合点焊料层、DCB焊料层。
7.一种基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测系统，其特征在于，包括超声扫描设备、加速老化循环试验设备、以及预测处理设备；
所述加速老化循环试验设备用于对样本IGBT模块进行加速老化功率模块循环测试；所述预测处理设备用于基于样本IGBT模块的测试结果而生成等级寿命数据库，所述等级寿命数据库存储有各等级的焊料层对应的寿命标准值；
所述预测处理设备还用于启动超声扫描设备对目标IGBT模块的焊料层进行超声波扫描；并根据超声波扫描结果确定所述焊料层中各焊点的空洞情况；根据空洞情况确定所述目标IGBT模块的焊料层对应的等级；在所述等级寿命数据库中查询获取与所述等级对应的寿命标准值，并作为所述目标IGBT模块的寿命预测值。
8.根据权利要求7所述的基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测系统，其特征在于，所述预测处理设备在生成所述等级寿命数据库时，具体用于：
通过对各个样本IGBT模块的焊料层进行超声波扫描，分别确定各个样本IGBT模块的焊料层对应的等级；
通过对各个样本IGBT模块进行加速老化功率模块循环测试，分别确定各个样本IGBT模块的剩余寿命；
基于同等级的样本IGBT模块的剩余寿命，确定该等级对应的寿命标准值。
9.根据权利要求8所述的基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测系统，其特征在于，所述预测处理设备在基于同等级的样本IGBT模块的剩余寿命，确定该等级对应的寿命标准值时，具体用于：
将同等级的样本IGBT模块的剩余寿命的数学期望作为该等级对应的寿命标准值。
10.根据权利要求9所述的基于IGBT模块焊点退化状态的寿命预测系统，其特征在于，所述预测处理设备在根据超声波扫描结果确定所述焊料层的空洞情况时，具体用于：
根据超声波扫描结果计算所述焊料层中单个焊点的平均空洞率大小、平均空洞个数、单个空洞平均面积。
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