CN114297900B - 一种基于失效物理的igbt模块可靠性分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于失效物理的IGBT模块可靠性分析方法，包括：根据IGBT模块的实际尺寸建立有限元模型，并在Spaceclaim中对IGBT模块模型进行合理简化；根据IGBT模块所处的环境剖面，在Icepak中进行相应的温度循环载荷设置，完成温度场分析；进行热‑结构耦合分析，得到IGBT模块各位置的应力应变结果，建立相应的热失效物理模型，得到该温度剖面下的疲劳损伤；将温度循环离散为温度点，对不同温度点下的IGBT模块进行振动应力仿真，建立相应的振动失效物理模型，得到该温度点下的随机振动疲劳损伤；采用Miner线性损伤累计方法得到总的疲劳累计损伤值，完成对IGBT模块的可靠性分析。本发明借助仿真软件完成，无需破坏相应的IGBT模块，克服了传统的试验法时间长、花费大的弊端。
Description
技术领域
本发明属于功率电子元器件可靠性分析领域，具体涉及一种基于失效物理的IGBT模块可靠性分析方法。
背景技术
随着功率半导体新结构和新工艺的应用，IGBT模块的电流密度和耐压等级在不断增大，体积越来越小，而其所承受的电学、力学和热学载荷却越来越重。IGBT模块在运行时会产生较大的温度波动，温度升高会造成芯片工作性能下降甚至烧毁；IGBT封装模块随着工作温度的变化会在内部产生热应力，热应力过大或分布不均极易造成芯片与陶瓷层的断裂或封装材料疲劳失效，IGBT模块的剖面结构示意图如图2所示。因此，IGBT模块的热疲劳寿命预测问题已经被提到研究的前沿。
根据调查研究，IGBT模块55％的失效是由温度引起的，20％的失效是由振动和冲击引起的，温度对寿命的影响最大。目前对IGBT模块可靠性问题的研究主要集中在功率循环引起的热疲劳失效分析上，然而，IGBT模块受复杂环境的影响，在其寿命周期内，通常遇到多种失效因素共同作用导致的产品失效。振动循环和冲击载荷是在IGBT模块使用中不可避免受到的影响，IGBT模块在设备受到剧烈振动作用下会发生弯曲形变，在IGBT模块中产生交变应力，而更严重的情况是发生在温度循环和随机振动同时作用的时候，此时IGBT模块会产生裂纹并快速扩展，导致IGBT模块加速失效，导致IGBT模块的寿命大幅度降低。
传统的寿命预测技术采用数理统计的思想，在电子产品使用中的失效数据进行统计拟合，得到寿命预测模型。但随着产品设计技术的高速发展，基于数理统计方法的预测数据更新速度往往滞后于产品的更新速度，因此就暴露出了在寿命预测的过程中预测结果不准确的问题。而利用加速疲劳失效试验的方法对IGBT模块进行失效研究所需的时间和花费极大。
发明内容
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于失效物理的IGBT模块可靠性分析方法，包括以下步骤：
步骤一，根据IGBT模块的实际尺寸建立IGBT模块的有限元模型；
步骤二，确定IGBT模块所处的环境剖面，包括温度剖面及随机振动剖面；
步骤三，通过ANSYS Icepak对步骤一得到的IGBT模块模型进行温度场分析；
步骤四，将步骤三中得到的温度场结果导入ANSYS Workbench Static Structure中进行热-结构耦合分析，得到IGBT模块各位置的应力应变结果；
步骤五，将步骤四中得到的应力应变结果代入相应的热失效物理模型中，得到该温度剖面下的疲劳损伤；
步骤六，将温度循环离散为温度点，通过ANSYS软件对不同温度点下的IGBT模块进行振动应力仿真；
步骤七，将步骤六中得到的应力应变结果代入相应的振动失效物理模型中，得到该温度点下的随机振动疲劳损伤，然后利用渐进损伤叠加方法得到该随机振动剖面下的疲劳损伤；
步骤八，采用Miner线性损伤累计方法得到总的疲劳累计损伤值，完成对IGBT模块的可靠性分析。
进一步地，所述步骤一还包括：在Spaceclaim中对IGBT模块模型进行简化，最终得到的IGBT模块模型分为六部分：键合线、芯片、芯片焊料层、DBC层、基板焊料层及基板，其中DBC层由上下铜层以及中间的陶瓷层组成。
进一步地，所述步骤二包括：根据IGBT模块所处的实际工况，并综合考虑IGBT模块的散热和环境，做出对应的温度剖面，根据IGBT模块实际承受的随机振动情况做出对应的振动剖面；温度剖面包括起始温度、参考温度、最高温度、最低温度，以及温度上升、下降和停留在最高和最低温度的持续时间；振动剖面包括相应的加速度功率谱密度。
进一步地，步骤三在Icepak中导入步骤一中建立的IGBT模块模型，设置模型各部分的材料参数，并根据步骤二中得到的温度剖面设置相应的温度循环载荷，利用Icepak中软件中的温度边界设置命令，设置IGBT模块与空气的对流换热系数，求解出温度循环下IGBT模块的温度分布。
进一步地，步骤四具体为在ANSYS Workbench中将Icepak与Static Structure耦合，将步骤三中得到的温度场结果导入Static Structure中进行热-结构耦合分析，得到IGBT模块各位置的应力应变结果。
进一步地，步骤五中将步骤四中得到的应力应变结果代入相应的失效物理模型中，得到该温度剖面下的寿命损伤，热失效物理模型的具体数学表达式如下：
其中，平均应力σm＝(σmin+σmax)/2，σmin和σmax分别为截取的某段循环过程中三个主应力的最大值和最小值；
Δε为应变范围；Δεe为弹性应变范围；Δεp为塑性应变范围；Nf为温度循环周期数；E为弹性模量；c为疲劳延性指数，-0.6；b为疲劳强度指数，-0.12；σ′f为疲劳强度系数，σ'f＝3.5σf；ε'f为疲劳延性系数，ε'f＝εf 0.6；σf为断裂强度，σf＝σb(1+Ψ)；εf为断裂延性，εf＝-ln(1-Ψ)；σb为抗拉强度；Ψ为断面收缩率；
将疲劳常数代入后，即可得相应的通用表达式：
式中的应变范围Δε与平均应力σm由步骤四得出；抗拉强度σb和断面收缩率Ψ通过查阅材料数据手册得到，即可算出温度循环周期数Nth＝Nf，温度循环引起的疲劳损伤值Dth可由下式得到：
其中nth为实际热循环周次，即在Icepak中设置的温度循环周期数。
进一步地，步骤六具体为：将温度循环离散为温度点，包括最高温度，最低温度，温度上升过程以及温度下降过程，通过ANSYS软件对不同温度点下的IGBT模块进行预应力模态分析，即将步骤四中的结果导入至ANSYS Modal进行模态分析，完成模态分析后再将其结果导入ANSYS Random Vibration中进行随机振动分析，得到该温度点随机振动载荷下的振动应力应变仿真结果。
进一步地，步骤七中将步骤六中得到的某一温度点随机振动载荷下的振动应力应变仿真结果代入相应的失效物理模型中，得到该随机振动剖面下的疲劳损伤，对于时间小于T小时的随机振动，其造成的疲劳损伤可由如下数学公式表达：
其中N0+为单位时间内以正斜率通过零轴的平均次数，简称正零通过次数。
其中P为输入的加速度功率谱密度，fn为共振频率，Ω＝2Πfn，Q为共振频率处的传递率。
随机振动引起的总的累计损伤值为：
其中，Dv为总的累积损伤值；ni为随机振动应变循环次数；Ni为应变疲劳寿命；Tj为离散的温度点；tj为对应温度与总时间的比值。
进一步地，步骤八具体为采用Miner线性损伤累计方法得到总的疲劳累计损伤值，假设温度循环和随机振动载荷的焊点失效的位置和激励都相同，并且在整个过程中的累计损伤因子是一样的，基于以上假设，利用Miner线性损伤累计方法计算总累计损伤因子Dtotal。该方法的数学表达式如下：
一般将振动疲劳循环次数用热疲劳循环次数表示，最后得到IGBT模块的等效疲劳循环次数N'f，完成对IGBT模块的可靠性分析。
fv为结构振动频率；fth为热循环频率。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提供的可靠性分析方法借助仿真软件完成，无需破坏相应的IGBT模块，属于无损分析方法；能够反映IGBT模块本身的结构特性和物理特性，克服了试验法时间长、花费大的弊端。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种基于失效物理的IGBT模块可靠性分析方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的IGBT模块剖面结构示意图；
图3是本发明实施例采用的三带技术所服从的高斯分布；
图4是本发明实施例中在Icepak中对IGBT模块施加的温度循环载荷；
图5是本发明实施例中在ANSYS Random Vibration中对IGBT模块施加的加速度功率谱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参见图1，本发明实施例提供的一种基于失效物理的IGBT模块可靠性分析方法，包括以下步骤：
步骤一：根据IGBT模块的实际尺寸建立IGBT模块的有限元模型；
在Spaceclaim中对IGBT模块模型进行简化，去除倒角和圆孔，，简化后的IGBT模型共分为六部分：键合线、芯片、芯片焊料层、DBC层、基板焊料层及基板，其中DBC层由上下铜层以及中间的陶瓷层组成。
步骤二，确定IGBT模块所处的环境剖面，包括温度剖面及随机振动剖面；
根据IGBT模块所处的实际工况，并综合考虑IGBT模块的散热和环境，做出对应的温度剖面，根据IGBT模块实际承受的随机振动情况做出对应的振动剖面；温度剖面包括起始温度、参考温度、最高温度、最低温度，以及温度上升、下降和停留在最高和最低温度的持续时间，如图4所示；振动剖面包括相应的加速度功率谱密度，如图5所示。
步骤三，通过ANSYS Icepak对步骤一得到的IGBT模块模型进行温度场分析；
在Icepak中导入步骤一中建立的IGBT模块模型，按照表1设置IGBT模块模型各部分的材料参数，并根据步骤二中得到的温度剖面设置相应的温度循环载荷，利用Icepak中软件中的温度边界设置命令，设置IGBT模块与空气的对流换热系数，求解出温度循环下IGBT模块的温度分布。
表1 IGBT模块模型各部分的材料参数
步骤四，将步骤三中得到的温度场结果导入ANSYS Workbench Static Structure中进行热-结构耦合分析，得到IGBT模块各位置的应力应变结果；
在ANSYS Workbench中将Icepak与Static Structure耦合，将步骤三中得到的温度场结果作为热应力载荷导入Static Structure中进行热-结构耦合分析，将IGBT模块的底面设置为固定约束，得到IGBT模块各位置的应力应变结果。
步骤五，将步骤四中得到的应力应变结果代入相应的热失效物理模型中，得到该温度剖面下的疲劳损伤；
热失效物理模型的具体数学表达式如下：
其中平均应力σm＝(σmin+σmax)/2，σmin和σmax分别为截取的某段循环过程中三个主应力的最大值和最小值；
Δε为应变范围；Δεe为弹性应变范围；Δεp为塑性应变范围；Nf为温度循环周期数；E为弹性模量；c为疲劳延性指数，-0.6；b为疲劳强度指数，-0.12；σ′f为疲劳强度系数，σ'f＝3.5σf；ε'f为疲劳延性系数，ε'f＝εf 0.6；σf为断裂强度，σf＝σb(1+Ψ)；εf为断裂延性，εf＝-ln(1-Ψ)；σb为抗拉强度；Ψ为断面收缩率；
将上述四个疲劳常数代入后，即可得相应的通用表达式：
式中的应变范围Δε与平均应力σm由步骤四得出；抗拉强度σb和断面收缩率Ψ通过查阅材料数据手册得到，即可算出温度循环周期数Nth＝Nf，温度循环引起的疲劳损伤值可由下式得到：
其中nth为实际热循环周次，即在Icepak在设置的温度循环周期数。
步骤六，将温度循环离散为温度点，通过ANSYS软件对不同温度点下的IGBT模块进行振动应力仿真；
将温度循环离散为温度点，包括最高温度，最低温度，温度上升过程以及温度下降过程，通过ANSYS软件对不同温度点下的IGBT模块进行预应力模态分析，即将步骤四中的结果导入至ANSYS Modal进行模态分析，一般取前20阶模态即可。
完成模态分析后再将其结果导入ANSYS Random Vibration中进行随机振动分析，得到该温度点随机振动载荷下的振动应力应变仿真结果。
施加温度循环载荷以及随机振动载荷，通过热-结构-振动耦合计算IGBT模块的应力应变分布。
步骤七，将步骤六中得到的应力应变结果代入相应的振动失效物理模型中，得到该温度点下的随机振动疲劳损伤，然后利用渐进损伤叠加方法得到该随机振动剖面下的疲劳损伤；
对于随机振动疲劳，三带技术是一种有效的分析方法，认为结构受随机振动激励时，其中某一点的振动加速度为相应于时间的随机过程，服从高斯分布，如图3所示，横坐标是瞬时加速度对于加速度响应之比，纵坐标是概率密度值。-σ和+σ之间的瞬时加速度发生概率为68.3％。-2σ和+2σ之间的瞬时加速度发生概率为95.4％。-3σ和+3σ之间的瞬时加速度发生概率为99.73％。在随机振动环境中，频带内所有的频率同时出现，所以，lσ、2σ、3σ瞬时加速度水平以68.3％、27.1％、4.33％的概率同时出现。
对于小于T小时的随机振动，其造成的疲劳损伤可由如下数学公式表达：
其中N0+为单位时间内以正斜率通过零轴的平均次数，简称正零通过次数。
其中P为输入的加速度功率谱密度，fn为共振频率，Ω＝2Πfn，Q为共振频率处的传递率。
随机振动引起的总的累计损伤值为：
其中，Dv为总的累积损伤值；ni为随机振动应变循环次数；Ni为应变疲劳寿命；Tj为离散的温度点；tj为对应温度与总时间的比值。
步骤八，采用Miner线性损伤累计方法得到总的疲劳累计损伤值，完成对IGBT模块的可靠性分析；
本发明假设温度循环和随机振动载荷的焊点失效的位置和激励都相同，并且在整个过程中的累计损伤因子是一样的，基于以上假设，利用Miner线性损伤累计方法计算总累计损伤因子Dtotal。该方法的数学表达式如下：
一般将振动疲劳循环次数用热疲劳循环次数表示，最后得到IGBT模块的等效疲劳循环周期数N'f，完成对IGBT模块的可靠性分析。
fv为结构振动频率；fth为热循环频率。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种基于失效物理的IGBT模块可靠性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，根据IGBT模块的实际尺寸建立IGBT模块的有限元模型；
步骤二，确定IGBT模块所处的环境剖面，所述环境剖面包括温度剖面及随机振动剖面；
步骤三，通过ANSYS Icepak对步骤一得到的IGBT模块模型进行温度场分析；
步骤四，将步骤三中得到的温度场结果导入ANSYS Workbench Static Structure中进行热-结构耦合分析，得到IGBT模块各位置的应力应变结果；
步骤五，将步骤四中得到的应力应变结果代入相应的热失效物理模型中，得到该温度剖面下的疲劳损伤；
步骤六，将温度循环离散为温度点，通过ANSYS软件对不同温度点下的IGBT模块进行振动应力仿真；
步骤七，将步骤六中得到的振动应力仿真结果代入相应的振动失效物理模型中，得到该温度点下的随机振动疲劳损伤，然后利用渐进损伤叠加方法得到该随机振动剖面下的疲劳损伤；
步骤八，采用Miner线性损伤累计方法得到总的疲劳累计损伤值，完成对IGBT模块的可靠性分析；
步骤五中将步骤四中得到的应力应变结果代入相应的热失效物理模型中，得到该温度剖面下的寿命损伤，所述热失效物理模型的数学表达式如下：
其中，平均应力σm＝(σmin+σmax)/2，σmin和σmax分别为截取的某段循环过程中三个主应力的最大值和最小值；
△e为应变范围；△ee为弹性应变范围；△ep为塑性应变范围；Nf为温度循环周期数；E为弹性模量；c为疲劳延性指数，-0.6；b为疲劳强度指数，-0.12；σ′f为疲劳强度系数，σ'f＝3.5σf；e'f为疲劳延性系数，e'f＝ef 0.6；σf为断裂强度，σf＝σb(1+Ψ)；ef为断裂延性，ef＝-ln(1-Ψ)；σb为抗拉强度；Ψ为断面收缩率；
将疲劳常数代入后，即可得相应的通用表达式：
式中的应变范围△e与平均应力σm由步骤四得出；抗拉强度σb和断面收缩率Ψ通过查阅材料数据手册得到，即可算出温度循环周期数Nth＝Nf，温度循环引起的疲劳损伤值Dth可由下式得到：
其中nth为实际热循环周次，即在Icepak中设置的温度循环周期数。
2.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的IGBT模块可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤一还包括：
在Spaceclaim中对IGBT模块模型进行简化，简化后的IGBT模块模型包括键合线、芯片、芯片焊料层、DBC层、基板焊料层及基板，所述DBC层由上下铜层及中间的陶瓷层组成。
3.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的IGBT模块可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤二包括：
根据IGBT模块所处的实际工况，并综合考虑IGBT模块的散热和环境，做出对应的温度剖面，根据IGBT模块实际承受的随机振动情况做出对应的振动剖面；所述温度剖面包括起始温度、参考温度、最高温度、最低温度，以及温度上升、下降和停留在最高和最低温度的持续时间；所述振动剖面包括加速度功率谱密度。
4.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的IGBT模块可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤三在Icepak中导入所述步骤一中建立的IGBT模块模型，设置模型各部分的材料参数，并根据所述步骤二中得到的温度剖面设置相应的温度循环载荷，利用Icepak中软件中的温度边界设置命令，设置IGBT模块与空气的对流换热系数，求解出温度循环下IGBT模块的温度分布。
5.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的IGBT模块可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤四具体为：
在ANSYS Workbench中将Icepak与Static Structure耦合，将所述步骤三中得到的温度场结果导入Static Structure中进行热-结构耦合分析，得到IGBT模块各位置的应力应变结果。
6.根据权利要求1所述的基于失效物理的IGBT模块可靠性分析方法，其特征在于，施加温度循环载荷以及随机振动载荷，通过热-结构-振动耦合计算IGBT模块的应力应变分布。
7.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的IGBT模块可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤六具体为：
将温度循环离散为温度点，包括最高温度，最低温度，温度上升过程以及温度下降过程，通过ANSYS软件对不同温度点下的IGBT模块进行预应力模态分析，即将步骤四中的结果导入至ANSYS Modal进行模态分析，完成模态分析后再将其结果导入ANSYS RandomVibration中进行随机振动分析，得到该温度点随机振动载荷下的振动应力应变仿真结果。
8.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的IGBT模块可靠性分析方法，其特征在于，步骤七中将步骤六中得到的某一温度点随机振动载荷下的振动应力应变仿真结果代入相应的振动失效物理模型中，得到该随机振动剖面下的疲劳损伤，对于时间小于T小时的随机振动，其造成的疲劳损伤D可由如下数学公式表达：
其中为单位时间内以正斜率通过零轴的平均次数，简称正零通过次数，
其中P为输入的加速度功率谱密度，fn为共振频率，Ω＝2Πfn，Q为共振频率处的传递率；
利用渐进损伤叠加方法得到随机振动引起的疲劳损伤，随机振动引起的总的累计损伤值Dv为：
其中，ni为随机振动应变循环次数；Nf为温度循环周期数；Ni为应变疲劳寿命；Tj为离散的温度点；tj为对应温度与总时间的比值。
9.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的IGBT模块可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤八具体为：
采用Miner线性损伤累计方法得到总的疲劳累计损伤值，假设温度循环和随机振动载荷的焊点失效的位置和激励都相同，并且在整个过程中的累计损伤因子是一样的，基于以上假设，利用Miner线性损伤累计方法计算总累计损伤因子Dtotal：
Dth为温度循环引起的疲劳损伤值；Dv为随机振动引起的总的累计损伤值；
将振动疲劳循环次数用热疲劳循环次数表示，最后得到IGBT模块的等效疲劳循环周期数N'f：
其中，fv为结构振动频率；fth为热循环频率，完成对IGBT模块的可靠性分析。
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| IGBT基于故障物理的失效分析及电子器件加速寿命模型的研究;郭来小;中国优秀硕士学位论文全文数据库(第9期);第1-40页 * |
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