CN115374615A - 一种提升igbt功率模块寿命的配置方法 - Google Patents

一种提升igbt功率模块寿命的配置方法 Download PDF

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周党生
吕一航
林洋
谢峰
张孟杰
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Abstract

本发明公开了一种提升IGBT功率模块寿命的配置方法，包括将所述衬底厚度增加至H,仿真得到所述IGBT功率模块结温波动幅度、结温波动的最大值及结温波动的最小值，根据IGBT功率模块寿命预测策略得出模块循环周期，再通过IGBT功率模块寿命预测策略得到所述IGBT功率模块的寿命；该提升IGBT功率模块寿命的配置方法对IGBT功率模块的衬底厚度进行配置，将增加功率模块衬底厚度融合寿命配置策略对IGBT功率模块进行最佳寿命配置，提高了IGBT功率模块的比热容，延长了IGBT功率模块的使用寿命。

Description

一种提升IGBT功率模块寿命的配置方法
技术领域
本发明涉及电力电子散热技术领域，尤其涉及一种提升IGBT功率模块寿命的配置方法。
背景技术
电气工业产品中，为了减少产品尺寸，提高功率密度等目的，产品的工作频率不断提升。而频率升高，IGBT模块的结温波动对其寿命的影响越明显。在功率变换场合，IGBT模块的使用寿命直接影响产品的使用寿命。因此，提高IGBT模块使用寿命是提高产品可靠性必须考虑的因素。
现有技术有存在一些比较复杂的功率模块寿命判断的模型进行寿命剩余判断，如融合型老化特征参数粒子滤波，但这类判断模型只起到判断功能，并不无法在判断的同时对功率模块寿命进行最佳配置，IGBT功率模块的衬底及基板的配置是影响其使用寿命最主要的两个因素，现有技术缺少将这两个因素融合起来并运用寿命配置策略对功率模块进行最佳寿命配置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种提升IGBT功率模块寿命的配置方法，该提升IGBT功率模块寿命的配置方法对IGBT功率模块的衬底厚度进行配置，将增加功率模块衬底厚度融合寿命配置策略对IGBT功率模块进行最佳寿命配置，提高了IGBT功率模块的比热容，延长了IGBT功率模块的使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明提供一种提升IGBT功率模块寿命的配置方法，所述IGBT功率模块包括半导体、衬底及基板；所述衬底设置于所述半导体及基板之间，所述半导体及基板通过衬底连接在一起；所述方法包括以下步骤：
步骤一：将所述衬底厚度增加至H,仿真得到所述IGBT功率模块结温波动幅度ΔTvj、模块等效结温Tvj_eq，通过所述IGBT功率模块的工作频率得到模块导通时间ton，根据所述衬底厚度H查表得到IGBT功率模块对应的模块厚度因素kthickness，将以上得到的数据根据IGBT功率模块寿命预测策略得出模块循环周期Nn-1；
步骤二：令新的衬底厚度H为原来步骤一的衬底厚度H加上h,将新的衬底厚度H代入步骤一得到所述IGBT功率模块的寿命Nn；
步骤三：判断Nn是否大于或者等于Nn-1；如果否，则认定所述衬底增加至Nn对应的厚度时，所述IGBT功率模块的寿命Nn为最长寿命；如果是，则执行步骤四；
步骤四：令新的衬底厚度H为原来步骤二的衬底厚度H加上h,令Nn-1＝Nn得到新的寿命Nn-1,将新的衬底厚度H代入步骤一得到所述IGBT功率模块的新的寿命Nn；
步骤五：将步骤四得到的新的寿命Nn及Nn-1代入步骤三执行，直到得到所述IGBT功率模块的最长寿命。
优选地，所述衬底为DCB衬底。
优选地，所述基板由铜或碳化硅铝构成。
优选地，所述DCB衬底包括陶瓷层和附着于所述陶瓷层上表面的上铜层及附着于所述陶瓷层下表面的下铜层。
优选地，增加所述衬底厚度包括增加所述陶瓷层厚度或者增加上层铜厚度或者二者都增加。
优选地，所述陶瓷层采用的材料为氮化铝或氮化硅。
优选地，所述IGBT功率模块寿命预测策略为：
Figure BDA0003785213370000031
或者
Figure BDA0003785213370000032
其中Nn-1或者Nn为IGBT功率模块的寿命，A0为增益系数，α为coffin-manson疲劳寿命曲线常数，Ea为模块功率计算的活化能，kB为波尔兹曼活化能运算常数，C为时间系数，γ为时间指数，Tvj_eq为模块等效结温，模块等效结温为模块结温波动最大值Tvj_max和模块结温波动最小值Tvj_min的算术平均值。
采用上述方法之后，提升IGBT功率模块寿命的配置方法，所述IGBT功率模块包括半导体、衬底及基板；所述衬底设置于所述半导体及基板之间，所述半导体及基板通过衬底连接在一起；所述方法包括以下步骤：步骤一：将所述衬底厚度增加至H,仿真得到所述IGBT功率模块结温波动幅度ΔTvj、模块等效结温Tvj_eq，通过所述IGBT功率模块的工作频率得到模块导通时间ton，根据所述衬底厚度H查表得到IGBT功率模块对应的模块厚度因素kthickness，将以上得到的数据根据IGBT功率模块寿命预测策略得出模块循环周期Nn-1；步骤二：令新的衬底厚度H为原来步骤一的衬底厚度H加上h,将新的衬底厚度H代入步骤一得到所述IGBT功率模块的寿命Nn；步骤三：判断Nn是否大于或者等于Nn-1；如果否，则认定所述衬底增加至Nn对应的厚度时，所述IGBT功率模块的寿命Nn为最长寿命；如果是，则执行步骤四；步骤四：令新的衬底厚度H为原来步骤二的衬底厚度H加上h,令Nn-1＝Nn得到新的寿命Nn-1,将新的衬底厚度H代入步骤一得到所述IGBT功率模块的新的寿命Nn；步骤五：将步骤四得到的新的寿命Nn及Nn-1代入步骤三执行，直到得到所述IGBT功率模块的最长寿命；该提升IGBT功率模块寿命的配置方法对IGBT功率模块的衬底厚度进行配置，将增加功率模块衬底厚度融合寿命配置策略对IGBT功率模块进行最佳寿命配置，提高了IGBT功率模块的比热容，延长了IGBT功率模块的使用寿命。
附图说明
图1为本发明一种提升IGBT功率模块寿命的配置方法的IGBT功率模块的整体结构图一；
图2为本发明一种提升IGBT功率模块寿命的配置方法的IGBT功率模块的整体结构图二；
图3为本发明一种提升IGBT功率模块寿命的配置方法的IGBT功率模块的模块等效结温Tvj_eq和模块结温波动ΔTvj的变化比较图；
图4为本发明一种提升IGBT功率模块寿命的配置方法的寿命与模块结温波动ΔTvj的对应曲线图。
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于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
请参阅图1及图3，图1为本发明实施例一的一种提升IGBT功率模块寿命的配置方法的IGBT功率模块的整体结构图；
本实施例公开了一种提升IGBT功率模块寿命的配置方法，所述IGBT功率模块10包括半导体13、衬底12及基板11；衬底12设置于半导体13及基板11之间，半导体13及基板11通过衬底12连接在一起；所述方法包括以下步骤：
步骤一：将衬底12厚度增加至H,仿真得到IGBT功率模块10结温波动幅度ΔTvj、模块等效结温Tvj_eq，通过IGBT功率模块10的工作频率得到模块导通时间ton，根据衬底厚度H查表得到IGBT功率模块对应的模块厚度因素kthickness，将以上得到的数据根据IGBT功率模块寿命预测策略得出模块循环周期Nn-1；
步骤二：令新的衬底厚度H为原来步骤一的衬底厚度H加上h,将新的衬底厚度H代入步骤一得到IGBT功率模块10的寿命Nn；
步骤三：判断Nn是否大于或者等于Nn-1；如果否，则认定衬底增加至Nn对应的厚度时，IGBT功率模块10的寿命Nn为最长寿命；如果是，则执行步骤四；
步骤四：令新的衬底厚度H为原来步骤二的衬底厚度H加上h,令Nn-1＝Nn得到新的寿命Nn-1,将新的衬底厚度H代入步骤一得到IGBT功率模块10的新的寿命Nn；
步骤五：将步骤四得到的新的寿命Nn及Nn-1代入步骤三执行，直到得到IGBT功率模块10的最长寿命。
实施例二
本实施例以实施例一为基础，在本实施例中，所述衬底为DCB衬底，在其他实施例中，所述衬底也可以为其他类型的衬底。
实施例三
本实施例以实施例一为基础，在本实施例中，所述基板由铜或碳化硅铝构成，在其他实施例中，所述基板也可以由其他类型的材料构成。
实施例四
本实施例以实施例二为基础，在本实施例中，DCB衬底包括陶瓷层122和附着于陶瓷层122上表面的上铜层123及附着于陶瓷层122下表面的下铜层121。
增加衬底12厚度包括增加陶瓷层122厚度或者增加上层铜123厚度或者陶瓷层122厚度及上层铜123厚度都增加。
在本实施例中，优选地的陶瓷层122采用的材料为氮化铝或氮化硅。
该提升IGBT功率模块寿命的配置方法通过增加IGBT功率模块的陶瓷层122厚度来增加模块的比热容，降低了模块的结温波动，最终提高了IGBT功率模块10的寿命，DCB衬底12的上铜层121直接连接着半导体11，该上铜层121保证传输电流外，也直接传递着半导体11的热量，增加DCB衬底12中上铜层121的厚度，同样可以达到和增加陶瓷层122厚度类似的效果。
实施例五
请参阅图4，图4为本发明一种提升IGBT功率模块寿命的配置方法的寿命与模块结温波动ΔTvj的对应曲线图。
本实施例以实施例一为基础，在本实施例中，IGBT功率模块10的寿命预测策略为：
Figure BDA0003785213370000071
其中Ncycle为模块的循环周期，A0为增益系数，α为coffin-manson疲劳寿命曲线常数，Ea为模块功率计算的活化能，kB为波尔兹曼活化能运算常数，C为时间系数，γ为时间指数，Tvj_eq为模块等效结温，模块等效结温为模块结温波动最大值Tvj_max和模块结温波动最小值Tvj_min的算术平均值。α取值为-2.3至-4.5，Ea取值为4.5J-6.5J，kB取值为1.38 1/J至2.651/J，kthickness取值为0.33至1，γ的取值为-0.5至-0.9，C的取值为0.21至0.56。
本提升IGBT功率模块寿命的配置方法通过降低模块结温波动ΔTvj幅度，延长了功率模块的实用寿命，请参阅图3，模块正常工作时，结温变化曲线如实线所示，模块的等效结温为Tvj_eq1，结温波动幅度为ΔTvj1。适当增加DCB衬底中的陶瓷厚度后，虽然一定程度上增加了热阻，导致模块等效结温升高至Tvj_eq2，但是DCB衬底的比热容增加了，将结温波动幅度降至ΔTvj2，由上式的模块使用寿命计算公式可知，结温波动幅度ΔTvj为公式中的幂指数底数，等效结温Tvj_eq反比于公式中e为底的指数函数的分子，当ΔTvj波动较大时，ΔTvj对寿命的影响比Tvj_eq明显。
该提升IGBT功率模块寿命的配置方法对IGBT功率模块的衬底厚度进行配置，将增加功率模块衬底厚度融合寿命配置策略对IGBT功率模块进行最佳寿命配置，提高了IGBT功率模块的比热容，延长了IGBT功率模块的使用寿命。
应当理解的是，以上仅为本发明的优选实施例，不能因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种提升IGBT功率模块寿命的配置方法，其特征在于，所述IGBT功率模块包括半导体、衬底及基板；所述衬底设置于所述半导体及基板之间，所述半导体及基板通过衬底连接在一起；所述方法包括以下步骤：
步骤一：将所述衬底厚度增加至H,仿真得到所述IGBT功率模块结温波动幅度ΔTvj、模块等效结温Tvj_eq，通过所述IGBT功率模块的工作频率得到模块导通时间ton，根据所述衬底厚度H查表得到IGBT功率模块对应的模块厚度因素kthickness，将以上得到的数据根据IGBT功率模块寿命预测策略得出模块循环周期Nn-1；
步骤二：令新的衬底厚度H为原来步骤一的衬底厚度H加上h,将新的衬底厚度H代入步骤一得到所述IGBT功率模块的寿命Nn；
步骤三：判断Nn是否大于或者等于Nn-1；如果否，则认定所述衬底增加至Nn对应的厚度时，所述IGBT功率模块的寿命Nn为最长寿命；如果是，则执行步骤四；
步骤四：令新的衬底厚度H为原来步骤二的衬底厚度H加上h,令Nn-1＝Nn得到新的寿命Nn-1,将新的衬底厚度H代入步骤一得到所述IGBT功率模块的新的寿命Nn；
步骤五：将步骤四得到的新的寿命Nn及Nn-1代入步骤三执行，直到得到所述IGBT功率模块的最长寿命。
2.根据权利要求1所述的提升IGBT功率模块寿命的配置方法，其特征在于，所述衬底为DCB衬底。
3.根据权利要求1所述的提升IGBT功率模块寿命的配置方法，其特征在于，所述基板由铜或碳化硅铝构成。
4.根据权利要求2所述的提升IGBT功率模块寿命的配置方法，其特征在于，所述DCB衬底包括陶瓷层和附着于所述陶瓷层上表面的上铜层及附着于所述陶瓷层下表面的下铜层。
5.根据权利要求4所述的提升IGBT功率模块寿命的配置方法，其特征在于，增加所述衬底厚度包括增加所述陶瓷层厚度，或者增加上层铜厚度，或者陶瓷层厚度及上层铜厚度都增加。
6.根据权利要求4所述的提升IGBT功率模块寿命的配置方法，其特征在于，所述陶瓷层采用的材料为氮化铝或氮化硅。
7.根据权利要求1所述的提升IGBT功率模块寿命的配置方法，其特征在于，所述IGBT功率模块寿命预测策略为：
Figure FDA0003785213360000021
或者
Figure FDA0003785213360000022
其中Nn-1或者Nn为IGBT功率模块的寿命，A0为增益系数，α为coffin-manson疲劳寿命曲线常数，Ea为模块功率计算的活化能，kB为波尔兹曼活化能运算常数，C为时间系数，γ为时间指数，Tvj_eq为模块等效结温，模块等效结温为模块结温波动最大值Tvj_max和模块结温波动最小值Tvj_min的算术平均值。
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