CN115099520B - 一种压接型igbt模块不同位置故障下芯片寿命预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了压接型IGBT模块不同位置故障下芯片寿命预测方法，属于电力电子器件可靠性分析技术领域。方法包括建立压接型IGBT模块几何模型；设置不同材料的参数；根据各个物理场的耦合关系，考虑电学、热学、力学约束，设定压接型IGBT模块的仿真条件；仿真分析不同位置的芯片故障后对其他芯片应力及温度分布的影响；利用寿命预测模型，计算IGBT模块不同位置芯片故障时的寿命。本发明相较于现有技术中关注的在IGBT内部芯片正常运行时对于IGBT内部的温度场和应力场的建模和仿真，本发明结果对于压接型IGBT模块的可靠性分析具有重要的理论意义与重大的工程运行指导意义。

Description

一种压接型IGBT模块不同位置故障下芯片寿命预测方法
技术术领域
本发明属于电力电子器件可靠性分析技术领域，具体涉及一种压接型IGBT模块不同位置故障下芯片寿命预测方法。
背景技术
自从20世纪80年代以来，IGBT在几个兆瓦的功率范围逐步占据优势。压接型IGBT因其易于串联、功率密度大等特点广泛应用于柔性直流输电系统、电力机车中。柔性直流输电系统和电力机车是国家重大战略需求，柔性直流输电系统是能源供应的基本保障，电力机车承担着国家交通输运的重大任务，他们的安全运行是国家财产和人民生命安全的有力保障。
压接型IGBT模块常工作于高温、高电压、大电流的环境下，内部的电-热-力相互耦合，造成压接型IGBT模块易出现电热失效故障，给柔性直流输电系统和电力机车的安全运行带来严重威胁。
现有技术中，国内外研究人员的研究主要集中在IGBT内部芯片正常运行时对于IGBT内部的温度场和应力场的建模和仿真，对于定性分析IGBT常见的失效机理提供了很好的基础，但是对于某一芯片损坏后对其他芯片应力、温度以及寿命的影响尚无研究。但是在实际运行环境中，IGBT的故障常发生在压接型IGBT模块的某一个或某几个位置上，而不是整体全部故障失效，因此，研发一种压接型IGBT模块不同位置芯片故障对其他部位芯片影响的分析方法对于压接型IGBT模块可靠性分析及寿命预测具有十分重要的工程意义。
发明内容
本发明的目的在于提供压接型IGBT模块不同位置故障下芯片寿命预测方法，以分析压接型IGBT模块仿真计算中仅考虑内部芯片正常运行时对于IGBT内部的温度场和应力场的建模和仿真，无法满足工程应用中对压接型IGBT模块的可靠性分析预测。
为了解决以上问题，本发明技术方案为：
压接型IGBT模块不同位置故障下芯片寿命预测方法，分为以下步骤：
S1、根据实际尺寸，建立压接型IGBT模块几何模型；
S2、设置各层不同材料的参数；
根据S1中选择的压接型IGBT模块，确定该模块不同材料的参数，包括：电导率、相对介电常数、导热系数、热膨胀系数、恒压热容、密度、杨氏模量、泊松比；
并根据该压接型IGBT模块输出特性曲线，设置硅的电导率；
S3、根据各个物理场的耦合关系，考虑电学、热学、力学约束，设定压接型IGBT模块的仿真条件；
设置对IGBT模块的电学约束；将二极管以及发生不导通故障的芯片设置为电绝缘；
设置对IGBT模块的热学约束；
设置对IGBT模块的力学约束；
S4、仿真不同位置的芯片故障后，获取其它芯片应力及温度分布，与正常工作时的其它应力、温度进行对比与分析；
S5、利用寿命预测模型，计算IGBT不同位置的芯片故障时的寿命；
利用Coffin-Manson-Arrhenius广延指数模型计算芯片存在不导通故障时的寿命。
进一步的，S1中选取电压等级为3300V，电流等级为1500A的压接型IGBT模块，根据铜极板、钼层、硅芯片尺寸，建立压接型IGBT模块几何模型。
进一步的，S2中根据S1中选择的压接型IGBT模块，确定该模块不同材料的参数，包括：铜、钼、硅材料的电导率、相对介电常数、导热系数、热膨胀系数、恒压热容、密度、杨氏模量、泊松比；并根据该压接型IGBT模块输出特性曲线，将硅的电导率σ设置为1/[8.54e-3+3.41e-5(T-25)]S/m。
进一步的，S3中所述的压接型IGBT模块的仿真条件为：
对IGBT模块的电学约束是给模块上方的铜集电极设置为1500A的电流输入，模块下方的铜发射极设置为接地，并设定各个接触面的粗糙平均高度、粗糙平均斜率、微硬度；将二极管以及发生不导通故障的芯片设置为电绝缘；
对IGBT模块的热学约束是在集电极和发射极表面设定为对流散热，并设定各个接触面的粗糙平均高度、粗糙平均斜率、微硬度；
对IGBT模块的力学约束是给模块上表面一个位移载荷，底部设置为弹性基础。
进一步的，S4中所述的对比与分析过程为：先仿真计算正常工作时各个芯片的应力和温度的分布，再分别仿真计算位于边缘位置的芯片和位于中心位置的芯片发生不导通故障时，各个芯片的应力和温度分布，最后，将正常工作及芯片发生故障后各个芯片的应力、温度分布进行对比与分析。
进一步的，S5中利用Coffin-Manson-Arrhenius广延指数模型计算芯片存在不导通故障时的寿命；
其计算式为：
式中Nf是可循环次数；A、α、β为模型参数；Ea是材料激活能；kB为玻耳兹曼常数；Tjm是每次循环的平均结温；ΔTj是每次循环的结温差；
假设每次循环IGBT温度都可以降到室温25℃，最高温度就是芯片达到稳态时的最高结温；
最终经计算得出：不同位置的故障对芯片寿命的影响程度不同，边缘处的芯片发生故障比在中心处芯片发生故障的问题更加突出。
本发明的有益效果如下：
本发明通过构建压接型IGBT模块几何模型，在有限元计算过程中，考虑多物理场耦合情况下不同位置芯片发生不导通故障时，该位置故障对其他位置芯片的应力、温度以及寿命的影响、以及对整个IGBT模块寿命的影响，进而根据仿真计算结果更好的进行压接型IGBT模块可靠性分析，最终预测压接型IGBT模块在不同故障下的芯片寿命。相较于现有技术中关注的在IGBT内部芯片正常运行时对于IGBT内部的温度场和应力场的建模和仿真，本发明结果对于压接型IGBT模块的可靠性分析具有重要的理论意义与重大的工程运行指导意义。
附图说明
图1是本发明中提出的压接型IGBT模块不同位置故障下芯片寿命预测方法的流程图；
图2是本发明实施例中压接型IGBT模块的有限元模型；
图3是本发明实施例中IGBT模型芯片编号；
图4是本发明实施例中IGBT正常工作时芯片应力、温度分布结果；
图5是本发明实施例中位于边缘位置芯片故障时各芯片应力、温度分布结果；
图6是本发明实施例中位于中心位置芯片故障时各芯片应力、温度分布结果。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
实施例1
如图1-2所示，压接型IGBT模块不同位置故障下芯片寿命预测方法，该方法为以下步骤：
S1、根据实际尺寸，建立压接型IGBT模块几何模型；
以电压等级为3300V，电流等级为1500A的压接型IGBT模块为例，根据铜极板、钼层、硅芯片尺寸，建立压接型IGBT模块几何模型。
本实施例中，建立如图2所示的压接型IGBT模块几何模型。
S2、设置各层不同材料的参数；
根据S1中选择的压接型IGBT模块，确定该模块不同材料的参数。
并根据该压接型IGBT模块输出特性曲线，将硅的电导率σ设置为1/[8.54e-3+3.41e-5(T-25)]S/m。
S3、根据各个物理场的耦合关系，考虑电学、热学、力学约束，设定压接型IGBT模块的仿真条件；
(S3所述的压接型IGBT模块的仿真条件为：)
对IGBT模块的电学约束是给模块上方的铜集电极设置为1500A的电流输入，模块下方的铜发射极设置为接地，并设定各个接触面的粗糙平均高度、粗糙平均斜率、微硬度。将二极管以及发生不导通故障的芯片设置为电绝缘。
对IGBT模块的热学约束是在集电极和发射极表面设定为对流散热，并设定各个接触面的粗糙平均高度、粗糙平均斜率、微硬度。
对IGBT模块的力学约束是给模块上表面一个位移载荷，底部设置为弹性基础。
S4、仿真不同位置的芯片故障后，获取其它芯片应力及温度分布，与正常工作时的其它应力、温度进行对比与分析；
为了方便后续的分析，对S1中选择的压接型IGBT模块进行一定顺序编号，并对其在正常工作下进行各个芯片的应力、温度测试；之后对其进行故障设置，如图3所示，分别设置边缘的1号芯片与中心位置的15号芯片发生不导通故障，再对其发生故障后各个芯片的应力、温度进行测试。
最终分别得到正常工作及芯片发生故障后各个芯片的应力、温度分布图，如图4、5、6所示：
在进行有限元计算上述各个芯片的应力、温度分布的基础上，对比分析正常工作及故障情况下应力和温度的差异，结论如下：
根据图4所示IGBT正常工作时芯片应力、温度分布仿真结果可知，IGBT正常工作时周围二极管的应力较之IGBT整体偏小，温度主要集中在芯片中心区域。
根据图5所示位于边缘位置芯片故障时各芯片应力、温度分布仿真结果可知，当某一芯片发生故障时，明显会导致其他芯片应力增大、温度升高。
位于边缘处的1号芯片故障时，虽然本身的应力和温度有所下降，但是使得其他芯片的最高应力由3.3×108N/m2上升至3.45×108N/m2，上升了4.54％，并使温度本就最高的15、16号芯片温度进一步上升，由113℃上升至119℃，上升了5.30％。
根据图6所示位于中心位置芯片故障时各芯片应力、温度分布仿真结果可知，位于中心处的15号芯片故障时，其他芯片最高应力和最高温度的上升率分别为2.12％和1.77％，虽然也导致其他芯片应力、温度升高，但是没有1号芯片故障时明显。
S5、利用寿命预测模型，计算IGBT不同位置的芯片故障时的寿命；
利用Coffin-Manson-Arrhenius广延指数模型计算芯片存在不导通故障时的寿命。
其计算式为：
式中Nf是可循环次数；A、α、β为模型参数；Ea是材料激活能；kB为玻耳兹曼常数；Tjm是每次循环的平均结温；ΔTj是每次循环的结温差。
假设每次循环IGBT温度都可以降到室温25℃，最高温度就是芯片达到稳态时的最高结温。
本实施例中：A＝6.84×105，α＝-2.23，β＝0.65；
Ea取9.89×10-20J；
kB＝1.38×10-23J/K，
由此可以计算出：
该IGBT正常工作时，可循环次数为41792次；
1号芯片损坏时，可循环次数为34614次，使用寿命缩短了17.17％；
15号芯片损坏时，可循环次数为39192次，使用寿命缩短了6.22％。
可见不同位置的故障对芯片寿命的影响程度不同，边缘处的芯片发生故障比在中心处芯片发生故障的问题更加突出，严重影响整个模块的可靠性和寿命。
类比可计算出任意的压接型IGBT模块在不同位置故障下芯片的寿命。本发明所提建模方法可适用于压接型IGBT模块多物理场仿真，对于压接型IGBT模块可靠性分析提供理论与工程指导意义。

Claims (6)

1.压接型IGBT模块不同位置故障下芯片寿命预测方法，其特征在于：该方法为以下步骤：
S1、根据实际尺寸，建立压接型IGBT模块几何模型；
S2、设置各层不同材料的参数；
根据S1中选择的压接型IGBT模块，确定该模块不同材料的参数，包括：电导率、相对介电常数、导热系数、热膨胀系数、恒压热容、密度、杨氏模量、泊松比；
并根据该压接型IGBT模块输出特性曲线，设置硅的电导率；
S3、根据各个物理场的耦合关系，考虑电学、热学、力学约束，设定压接型IGBT模块的仿真条件；
设置对IGBT模块的电学约束；将二极管以及发生不导通故障的芯片设置为电绝缘；
设置对IGBT模块的热学约束；
设置对IGBT模块的力学约束；
S4、仿真不同位置的芯片故障后，获取其它芯片应力及温度分布，与正常工作时的其它应力、温度进行对比与分析；
S5、利用寿命预测模型，计算IGBT不同位置的芯片故障时的寿命；
利用Coffin-Manson-Arrhenius广延指数模型计算芯片存在不导通故障时的寿命。
2.如权利要求1所述的压接型IGBT模块不同位置故障下芯片寿命预测方法，其特征在于：S1中选取电压等级为3300V，电流等级为1500A的压接
型IGBT模块，根据铜极板、钼层、硅芯片尺寸，建立压接型IGBT模块几
何模型。
3.如权利要求2所述的压接型IGBT模块不同位置故障下芯片寿命预测方法，其特征在于：S2中根据S1中选择的压接型IGBT模块，确定该模块不同材料的参数，包括：铜、钼、硅材料的电导率、相对介电常数、导热系数、热膨胀系数、恒压热容、密度、杨氏模量、泊松比；并根据该压接型IGBT模块输出特性曲线，将硅的电导率σ设置为1/[8.54e-3+3.41e-5(T-25)]S/m。
4.如权利要求3所述的压接型IGBT模块不同位置故障下芯片寿命预测方法，其特征在于：S3中所述的压接型IGBT模块的仿真条件为：
对IGBT模块的电学约束是给模块上方的铜集电极设置为1500A的电流输入，模块下方的铜发射极设置为接地，并设定各个接触面的粗糙平均高度、粗糙平均斜率、微硬度；将二极管以及发生不导通故障的芯片设置为电绝缘；
对IGBT模块的热学约束是在集电极和发射极表面设定为对流散热，并设定各个接触面的粗糙平均高度、粗糙平均斜率、微硬度；
对IGBT模块的力学约束是给模块上表面一个位移载荷，底部设置为弹性基础。
5.如权利要求1所述的压接型IGBT模块不同位置故障下芯片寿命预测方法，其特征在于：S4中所述的对比与分析过程为：先仿真计算正常工作时各个芯片的应力和温度的分布，再分别仿真计算位于边缘位置的芯片和位于中心位置的芯片发生不导通故障时，各个芯片的应力和温度分布，最后，将正常工作及芯片发生故障后各个芯片的应力、温度分布进行对比与分析。
6.如权利要求1所述的压接型IGBT模块不同位置故障下芯片寿命预测方法，其特征在于：S5中利用Coffin-Manson-Arrhenius广延指数模型计算芯片存在不导通故障时的寿命；
其计算式为：
式中Nf是可循环次数；A、α、β为模型参数；Ea是材料激活能；kB为玻耳兹曼常数；Tjm是每次循环的平均结温；ΔTj是每次循环的结温差；
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