CN115994464A - 基于裂纹长度扩展的功率器件剩余寿命预测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于焊料层裂纹长度扩展的功率器件剩余寿命预测方法及系统，所述剩余寿命预测方法包括：建立有限元二维模型/有限元三维模型；将所述有限元二维模型/有限元三维模型中的芯片焊料层模型均分为K个单元格；依次执行第1老化阶段、第2老化阶段、……、第S+1老化阶段，得到第k老化阶段完成时刻功率器件的结壳热阻；焊料层裂纹长度随着失效的单元格数量增加而增大；实时监测实际试验中功率器件的功率循环次数、与功率循环次数对应的功率器件的结壳热阻，判断当前功率器件的结壳热阻属于哪个区间，再利用相应的公式计算从当前监测结壳热阻的时刻到芯片焊料层失效所需的功率循环次数。

Description

基于裂纹长度扩展的功率器件剩余寿命预测方法及系统

技术领域

本发明涉及一种针对功率半导体器件的剩余寿命在线预测方法，尤其涉及一种大面积焊料层裂纹逐级扩展失效过程的剩余寿命在线预测方法，属于功率半导体器件焊接可靠性评估技术领域。

背景技术

功率半导体器件广泛应用于智能电网、机车牵引、新能源发电以及电动汽车等领域。但是，长期的温度波动会导致功率器件的芯片焊料层出现空洞、裂纹萌生和扩展等问题，最终导致功率器件退化失效，影响整个系统性能，甚至导致整个系统失效，引发重大的安全事故。

针对上述问题，功率器件的剩余寿命预测方法不断发展。现有的针对功率器件的剩余寿命预测方法主要分为两种：基于数据驱动的预测方法和基于失效机理分析的预测方法。但是，现有的基于数据驱动的预测方法中，为了建立输入与输出间的映射关系，需要大量的试验老化数据进行优化训练，极大地提高了预测方法的时间成本；而现有的基于失效机理分析的预测方法常常简化了功率器件在老化失效过程的疲劳累积效应，无法准确描述焊料层实际的老化过程，使得对功率器件的剩余寿命预测精度较低，且一般也需要多组试验老化数据来拟合获取相关参数，耗时费力，此外该方法的构建多数与功率器件所属的产品类型相关，不具有通用性。

发明内容

本发明要解决的问题是针对现有功率器件的剩余寿命预测中对预测时间和对预测精度的要求无法同时满足的问题，提供一种基于焊料层裂纹长度扩展的功率器件剩余寿命预测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于芯片焊料层裂纹长度扩展的功率器件剩余寿命预测方法，定义第一直线(La)为在功率器件侧面上沿高度方向延伸、且将芯片层在所述功率器件侧面的面积均分的直线，所述功率器件侧面是由功率器件的高度、功率器件的长度/宽度构成的面；

所述功率器件剩余寿命预测方法包括：

A、根据功率器件的封装结构的材料和尺寸参数，建立与位于功率器件侧面上第一直线(La)一侧的结构对应的有限元二维模型/有限元三维模型；

所述有限元二维模型的两个维度分别对应功率器件的高度、功率器件的长度/宽度；

所述有限元三维模型中，其中两个维度分别对应功率器件的高度、功率器件的长度/宽度，另一个维度对应功率器件的宽度/长度；

所述有限元二维模型/有限元三维模型的仿真工作环境与实际试验中功率器件的工作环境一致；

沿着有限元二维模型/有限元三维模型中与功率器件长度/宽度方向对应的方向，将所述有限元二维模型/有限元三维模型中的芯片焊料层模型均分为K个单元格；

从芯片焊料层模型中与实际芯片焊料层端部对应的一端向芯片焊料层模型中与实际芯片焊料层长度/宽度中心对应的另一端，第1个单元格、第2个单元格、……、第K个单元格依次设置，10≤K≤100；

对所述有限元二维模型/有限元三维模型依次执行第1老化阶段、第2老化阶段、……、第S+1老化阶段，其中，焊料层裂纹长度随着失效的单元格数量增加而增大，第k老化阶段完成时刻为第k个单元格被消除的时刻，k＝1,2,……,S+1；

其中，S的取值满足下式：

R_th(S)＜R_{th_u％}≤R_th(S+1)；

其中，R_th(0)为功率器件的初始结壳热阻，R_th(k)为第k老化阶段完成时刻功率器件的结壳热阻，R_{th_u％}为与预设百分比u％对应的结壳热阻，芯片焊料层失效时刻为结壳热阻达到R_{th_u％}的时刻；

实时监测实际试验中功率器件的功率循环次数、与功率循环次数对应的功率器件的结壳热阻，从而得到功率循环次数与结壳热阻的对应关系；

当需要计算从当前功率器件的结壳热阻为R_x的时刻到芯片焊料层失效时刻所需的功率循环次数L_x时，则判断R_x≥R_th(1)是否成立，若判断结果为是，则判断当前功率器件的结壳热阻R_x在区间[R_th(1),R_th(2))、[R_th(2),R_th(3))、……、[R_th(S),R_th(S+1))中的哪个区间中，否则继续监测；

若判断R_x在区间(R_th(m),R_th(m+1)]中，其中m为整数且1≤m≤S，则利用下式计算从功率器件的结壳热阻为R_x的时刻到芯片焊料层失效的时刻所需的功率循环次数L_x：

其中：

其中，ΔN₁是所述对应关系中与R_th(1)对应的功率循环次数，ΔN_i为第i老化阶段中进行的功率循环次数，ΔW₁为第1个单元格在第1老化阶段的每个功率循环损失的非弹性应变能密度，ΔW_i为第i个单元格在第i老化阶段中的每个功率循环损失的非弹性应变能密度，ΔW_j,i为第i个单元格在第j老化阶段中的每个功率循环损失的非弹性应变能密度，D_j,i为第i个单元格在第j老化阶段累积的损伤，2≤i≤S+1。

本发明中，将芯片焊料层的失效过程分为多个老化阶段，从第1个老化阶段开始，每个老化阶段仅长度/宽度方向上的一个单元格失效。即从对有限元二维模型/有限元三维模型开始执行第1个功率循环即为执行第1老化阶段的第1个功率循环，当第1个单元格失效时，第1老化阶段结束。第1老化阶段结束的时刻也即为第2老化阶段开始的时刻。失效的单元格数量越多，焊料层裂纹长度越长。在建立的有限元二维模型/有限元三维模型中，可预先执行仿真过程，从而得到不同数量的单元格失效时(即对应不同老化阶段)对应的结壳热阻，且可根据结壳热阻初始值(即第1老化阶段开始时刻结壳热阻的值)、不同数量单元格失效时对应的结壳热阻得到芯片焊料层失效时所对应的失效的单元格数量。当实际试验进行时，监测实际试验中功率器件的功率循环次数、与功率循环次数对应的功率器件的结壳热阻，当需要确定功率器件的剩余寿命时，可将实际监测的结壳热阻与预先在有限元中的仿真结果进行对应，从而可确定当前功率器件的结壳热阻对应多少个失效的单元格，也可得到每老化阶段所对应的功率循环次数，结合各个单元格在各老化阶段消耗的非弹性应变能，即可预测得到功率器件的剩余寿命。

上述技术方案中：利用Clech算法或在所述有限元二维模型/有限元三维模型执行有限元热力仿真，从而得到ΔW₁、ΔW_i、ΔW_j,i的值。

上述技术方案中：30≤K≤200。

上述技术方案中：50≤K≤100。

优选地，K＝50。

上述技术方案中：所述功率器件的芯片层上表面形状为正方形。

上述技术方案中：结壳热阻R_th的计算公式为：

其中，T_j为结温估计值，T_c为功率器件壳体底端温度，P_Loss为功率器件的功率。

上述技术方案中：所述工作环境包括功率器件的功率、功率器件开通的时间和关断的时间、施加给功率器件的冷却条件。

上述技术方案中：功率器件每次开通的时间相等，每次关断的时间相等。

本发明还提供一种基于焊料层裂纹长度扩展的功率器件剩余寿命预测系统，包括计算机设备；所述计算机设备被配置为用于执行上述任一项所述的剩余寿命预测方法的步骤。

本发明针对传统的剩余寿命预测方法很少考虑应力、应变、应变能等参量随焊料层裂纹扩展的变化以及对应老化过程的损伤累积不明确的问题，提出了一种能够实时监测功率半导体模块焊料层裂纹长度逐级扩展的剩余寿命在线预测方法。

基于上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1)本发明考虑了焊料层在老化过程中非弹性应变能密度会发生变化的问题，根据焊料层不同裂纹长度时不同的应力-应变响应关系，将焊料层失效过程分为多老化阶段；

2)本发明考虑了焊料层的动态失效过程，能够实时模拟焊料层老化过程中结壳热阻的变化，能较准确快速地预测功率器件的剩余寿命；

3)与传统的剩余寿命预测方法相比，本发明不需要进行大量的老化试验数据来拟合获得相应的参数，对于不同的封装模型可建立相应的有限元模型，具有良好的通用性；

4)相对于传统的有限元热-力耦合仿真来说，本申请可以快速计算获取不同老化阶段的焊料层各个单元格的非弹性应变能密度和损伤累积，节省大量的运算时间。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的基于焊料层裂纹长度扩展的功率器件剩余寿命预测方法流程图；

图2是功率器件内部封装结构示意图；

图3(a)是本发明实施例建立的功率器件的有限元二维模型示意图，图3(b)为是本发明实施例建立的功率器件的有限元三维模型示意图；

图4(a)是本发明实施例的有限元二维模型中被均分为1×K个单元的芯片焊料层示意图，图4(b)是本发明实施例的有限元三维模型中被均分为1×K个单元的芯片焊料层示意图；

图5是各个老化阶段与功率循环次数的关系示意图；

图6是根据本发明实施例得到的剩余寿命预测结果与实际老化试验得到的剩余寿命结果对比图；

具体实施方式

下面将结合本申请的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

所述功率器件可以为二极管模块、MOSFET模块、IGBT模块、晶闸管模块中的一种。

定义第一直线La为在功率器件侧面上沿高度方向延伸、且将芯片层在所述功率器件侧面的面积均分的直线，所述功率器件侧面是由功率器件的高度、功率器件的长度/宽度构成的面。

基于芯片焊料层裂纹长度扩展的功率器件剩余寿命预测方法包括：

A、步骤A包括步骤A1、步骤A2。

步骤A1、在仿真空间中建立有限元二维模型/有限元三维模型，并对老化过程进行仿真。

根据功率器件的封装结构的材料和尺寸参数，建立与位于功率器件侧面上第一直线La一侧的结构对应的有限元二维模型/有限元三维模型；

所述有限元二维模型的两个维度分别对应功率器件的高度、功率器件的长度/宽度；

所述有限元三维模型中，其中两个维度分别对应功率器件的高度、功率器件的长度/宽度，另一个维度对应功率器件的宽度/长度；

所述有限元二维模型/有限元三维模型的仿真工作环境与实际试验中功率器件的工作环境一致；

沿着有限元二维模型/有限元三维模型中与功率器件长度/宽度方向对应的方向，将所述有限元二维模型/有限元三维模型中的芯片焊料层模型均分为K个单元格；

从芯片焊料层模型中与实际芯片焊料层端部对应的一端向芯片焊料层模型中与实际芯片焊料层长度/宽度中心对应的另一端，第1个单元格、第2个单元格、……、第K个单元格依次设置，10≤K≤100。

三维模型即为高度、长度、宽度(即厚度)，长度和高度的维度可与二维模型一致。当上述提到的功率器件侧面是由功率器件的高度、功率器件的长度构成的面时，宽度方向仅仅划分一个网格即可。即三维模型将焊料层均分为多个立体单元格，网格划分时，宽度方向仅划分为一个网格。

对所述有限元二维模型/有限元三维模型依次执行第1老化阶段、第2老化阶段、……、第S+1老化阶段，其中，焊料层裂纹长度随着失效的单元格数量增加而增大，第k老化阶段完成时刻为第k个单元格被消除的时刻，k＝1,2,……,S+1；

其中，S的取值满足下式：

R_th(S)＜R_{th_u％}≤R_th(S+1)；

其中，R_th(0)为功率器件的初始结壳热阻，R_th(k)为第k老化阶段完成时刻功率器件的结壳热阻，R_{th_u％}为与预设百分比u％对应的结壳热阻，芯片焊料层失效时刻为结壳热阻达到R_{th_u％}的时刻。当芯片焊料层达到失效标准时，即认为功率器件失效。

步骤A2、实际环境中功率模块工作时的实时监测过程。

实时监测实际试验中功率器件的功率循环次数、与功率循环次数对应的功率器件的结壳热阻，从而得到功率循环次数与结壳热阻的对应关系。

步骤A1、步骤A2可同时进行，也可依次执行步骤A1、步骤A2，或依次执行步骤A2、步骤A1。

B、当需要计算从当前功率器件的结壳热阻为R_x的时刻到芯片焊料层失效时刻所需的功率循环次数L_x时，则判断R_x≥R_th(1)是否成立，若判断结果为是，则判断当前功率器件的结壳热阻R_x在区间[R_th(1),R_th(2))、[R_th(2),R_th(3))、……、[R_th(S),R_th(S+1))中的哪个区间中，否则继续监测；

若判断R_x在区间(R_th(m),R_th(m+1)]中，其中m为整数且1≤m≤S，则利用下式计算从功率器件的结壳热阻为R_x的时刻到芯片焊料层失效的时刻所需的功率循环次数L_x

其中：

其中：ΔN₁是所述对应关系中与R_th(1)对应的功率循环次数，ΔN_i为第i老化阶段中进行的功率循环次数，ΔW₁为第1个单元格在第1老化阶段的每个功率循环损失的非弹性应变能密度，ΔW_i为第i个单元格在第i老化阶段中的每个功率循环损失的非弹性应变能密度，ΔW_j,i为第i个单元格在第j老化阶段中的每个功率循环损失的非弹性应变能密度，D_j,i为第i个单元格在第j老化阶段累积的损伤，2≤i≤S+1。

上述技术方案中：利用Clech算法或在所述有限元二维模型/有限元三维模型执行有限元热力仿真，从而得到ΔW₁、ΔW_i、ΔW_j,i的值。

ΔW₁是根据第1个单元格在第1老化阶段结温的变化值、第1老化阶段时第1个单元格所对应的组合刚度和施加应变计算得到；

ΔW_i是根据第i个单元格在第i老化阶段结温的变化值、第i老化阶段时第i个单元格所对应的组合刚度和施加应变计算得到；

ΔW_j,i是根据第i个单元格在第j老化阶段结温的变化值、第j老化阶段时第i个单元格所对应的组合刚度和施加应变计算得到。

本发明以英飞凌IGBT半桥模块FF150R12ME3G为例，构建了该模型的2D模型。

本发明实施例提出的寿命预测方法流程图如图1所示。具体地，本发明实施例的预测方法详述如下。

步骤1、根据模块的真实尺寸以及内部封装各层的材料属性，建立未老化的功率器件的二维模型。二维模型两个维度分别对应功率器件的高度、宽度/长度。在有限元仿真中的二维模型是二维轴对称模型。

建立功率器件(也可称为功率模块或模块)内部封装各层的尺寸，可以通过将模块外壳拆掉，然后通过SEM扫描测量模块的尺寸，通过EDS确定各层的材料属性。建立功率器件的二维模型的仿真精度能够与三维模型媲美，且可以大大缩短有限元仿真的计算时间，提高计算效率。相关论文证实了2D模型、3D模型仿真得到的结温、力学性能的差别很小，匹配精度在90％以上，例如Borong Hu等在期刊“IEEE Journal of Emerging&Selected Topicsin Power Electronics”上发表的文献“Long-Term Reliability Evaluation of PowerModules With Low Amplitude Thermo-mechanical Stresses and Initial Defects”以及Hua Lu等在会议“2007International Symposium on High Density packaging andMicrosystem Integration”发表的文献“Lifetime Prediction for Power ElectronicsModule Substrate Mount-down Solder Interconnect”。

传统的焊接式IGBT模块内部封装如图2所示，为多层结构。为了便于分析，在构建FF150R12ME3G模块的2D模型时可忽略键合线。

如图2所示，Tc是测量壳温(底板温度的位置)。在涂导热硅脂时，可事先预留好芯片正下方一个较小的范围不涂导热硅脂，散热器可打孔，就可通过热电阻贴合在芯片正下方的壳表面来测量壳温。

其中，芯片层与芯片焊料层的上表面积相同。功率器件壳体底端温度即为图2中的温度T_b。

如图3所示，本实施例中，将芯片焊料层均分为1×50(即1行、50列)的单元，即得到50个尺寸相同的单元格。

如图4所示，为了便于后续说明老化过程，将焊料层边角的六个单元分别排序，并根据模块的材料参数，构建有限元仿真模型。

图4放大的部分显示的是位于边角的6个单元。各个单元为无裂纹的状态，即芯片焊料层为未老化状态。除了芯片焊料层之外，其他层也可按网格划分。

也可以将芯片焊料层划分为1×100、1×200个等不同的单元。考虑到单元越多，仿真老化阶段就越多，耗时越长，计算时间成本就越高，本申请优选划分为1×50个单元。

本申请采用划分单元格、并杀死单元格(即消除单元格)来模拟焊料层裂纹扩展的方法，是相当于将焊料层裂纹扩展的实际老化过程进行了“微分”离散化处理。其中，单元格的损伤达到1时，单元格被消除。

单元格大小不同，则单元格受到其他单元格的影响得到的非弹性应变能密度会有不同，但是仿真、试验证明差距不会太大，最终分析出来的结果影响也不会太大。当然，单元格越大，模拟的裂纹扩展老化阶段就越少，得出的寿命预测误差会相对增大，单元格越小，模拟的裂纹扩展老化阶段就越多，也更贴合试验实际老化过程，得出的寿命预测误差也会相对减小。本领域技术人员可根据实际需要(例如精度要求、预测时间成本)确定需要划分的单元格的个数。

单元格消除的个数越多，模块的散热路径就会减小，导致芯片层热量积聚，结温增加。由于功率器件壳体底端温度主要取决于用于冷却功率器件的散热器(采用水冷或风冷，与功率器件底端接触或具有一定间隔)的作用，因此当功率模块功率不变时，结温增加会导致结壳热阻增大。功率器件壳体底端温度可以直接通过热电偶或热电阻测量。当单元消除个数越多，散热面积减小，结温积聚，但是壳温(壳体底端温度)却变化不明显。本申请中，计算从产生裂纹到结壳热阻增大到一定程度(例如增加20％)，所需要的功率循环周期，即为从产生裂纹到失效的剩余寿命。

本方案侧重点在于裂纹发生扩展老化阶段之后的剩余寿命预测。当裂纹发生扩展时，结壳热阻会逐渐增加，而在老化试验中，会实时记录结壳热阻的值。当裂纹发生扩展时，结壳热阻曲线必然会存在上升拐点，而通过查阅结壳热阻曲线，即可提取出现裂纹的寿命(裂纹萌生寿命N₀)。如果裂纹较小使得功率器件的结壳热阻不会发生明显变化，则根据本申请方案部进行剩余寿命预测。

在实际老化试验过程中，可采取恒定开通关断策略，其功率、冷却条件不产生变化。有限元模型需要添加与试验相同的工况条件。

在未进行实际试验时，仿真已可以得到每老化阶段的温度变化、组合刚度、施加应变、结壳热阻变化，则未进行实际试验时，不需要依靠实测数据，仅需要根据仿真数据，即可得到每老化阶段各个单元格的非弹性应变能密度。

步骤2、通过在有限元软件中绘制不同的焊料层长度来模拟不同长度的裂纹扩展，然后进行焊料层不同裂纹长度的机械仿真分析，获取不同裂纹扩展的焊料层单元格的组合刚度和施加应变，并制成表格，写入到Clech算法中。在本实施例中，以FF150R12ME3G模块的2D模型为例，分别通过消除单元格的方式模拟了裂纹扩展，然后提取了焊料层对应裂纹长度的组合刚度K和施加应变D。并制成了表格，如表1和表2所示，并将这两个表格以程序的形式写入到Clech算法中。本申请引入的现有的Clech算法可通过Matlab编程实现，本领域技术人员可以理解。

步骤2、通过机械仿真获得焊料层不同裂纹扩展长度下的组合刚度和施加应变，制成表格，写入到Clech算法等类似的本构方程中；

步骤2中，在有限元中通过杀死单元格的方式来模拟焊料层裂纹扩展失效过程，每进行一次焊料层裂纹扩展的机械仿真，都需要提取相应焊料层危险区域单元格的组合刚度和施加应变，最终制成表格，然后以程序的方式写入Clech算法中，该算法可以在Matlab或其他软件中实现。这里制表，是为了预计算，方便实际试验中的结壳热阻数据与有限元模拟的裂纹老化扩展老化阶段的结壳热阻产生一一对应关系，并能够根据结壳热阻数据获取试验已发生的对应的功率循环周期数，计算试验已累积的损伤。

本方案中，是通过有限元仿真裂纹萌生到特定裂纹扩展长度的过程。

仿真裂纹萌生的位置和方向是通过有限元的热力仿真中的工况设置与老化试验的工况相同，即仿真中的结温波动，开通关断时间都需和老化试验一致。然后，通过热力仿真可以得到功率器件焊料层的非弹性应变能密度累积分布，如果焊料层的非弹性应变能较大的位置就是裂纹萌生的位置。而在此方案中，通过有限元热力仿真发现，焊料层边角的非弹性应变能较大，因此，裂纹萌生发生在边角(矩形的4个角)，并向中心扩展。一般可认为裂纹沿对角线由角部向中心扩展。

申请人研究时发现，从4个角开始的各个单元格同时失效与从一个边角沿长度或宽度方向开始失效，试验得到的结壳热阻结果相差不大，因此，本申请仅考虑从一个边角沿长度或宽度方向失效的情况。

本申请中，沿着功率模块宽度方向/长度方向划分单元格，即将功率模块横截面(水平截面)上的表面的对角线上裂纹的扩展投影到长度或宽度方向上，从而便于建模和计算。

扩展程度是由结壳热阻的增量决定的。结壳热阻被公认作为焊料层的失效特征量，一般认为，结壳热阻增大20％或50％，即作为焊料层失效。因此，在本方案中，随着单元格不断被消除，模块的结壳热阻在不断增加，当结壳热阻增大到20％或50％，此时，裂纹扩展即可结束。即本申请中，u％可为20％或50％，也可取其他值，只要满足芯片焊料层失效时刻为结壳热阻达到R_{th_u％}的时刻即可。

实际IGBT工作时，只能监测结温，无法得到刚度、应变，无法得到应变能密度，因此需要预先建立刚度、应变与结温的对应关系，后续再根据结温对应找到刚度和应变。

焊料层危险区域是导致结壳热阻增加到20％，焊料层发生失效的整个杀死单元格的范围。

组合刚度主要是焊料层的组合刚度，一旦裂纹扩展，焊料层的结构发生变化，其组合刚度会发生变化。

施加应变也是跟焊料层的结构和材料属性相关的一个力学属性参数。在这里单指焊料层的施加应变。组合刚度和施加应变共同用来描述应力降低线。是通过不同温度负载下的应力降低线的剪切应力和剪切应变计算得到的，如下公式：反映焊料几何变化和焊料附近两层之间的热膨胀系数的不匹配度。

其中，γ是剪切应变，无单位，τ是剪切应力，单位是MPa。T是温度，单位为℃。γ是无单位量纲，等式左右两边整体单位量纲要保持一致，因此，下表中，第一参数K(或称为组合刚度，assembly stiffness)的单位是MPa，第二参数Z(或称为施加应变，imposedstrain)的单位是℃^-1。其中：K₁表示第1个单元格在第1老化阶段的组合刚度，K₂表示第2个单元格在第2老化阶段的组合刚度，K₁₂表示第2个单元格在第1老化阶段的组合刚度，依次类推；Z₁表示第1个单元格在第1老化阶段的施加应变，Z₂表示第2个单元格在第2老化阶段的施加应变，Z₁₂表示第2个单元格在第1老化阶段的施加应变，依次类推。具体可参见Hua Lu等在“2016 17th International Conference on Electronic Packaging Technology”发表的文献“Reliability Prediction for IGBT Solder Joints Using Clech Algorithm”。

表1不同裂纹扩展长度下焊料层单元格的组合刚度(Mpa)

表2不同裂纹扩展长度下焊料层单元格的施加应变(×10^-4℃^-1)

步骤3、在老化试验中，通过温敏电参数法、IR(热成像仪)等温度采集的方式实时在线获取模块结温、壳温(即功率器件壳体底端温度)、功率，实时监测获得老化试验的结壳热阻(芯片到功率模块基板外壳间的热阻)。当试验进行到一定老化程度时(第i个老化阶段)，获取此时的试验老化的功率模块的结壳热阻R_{th_i}，并在有限元中模拟试验工况，根据有限元中消除单元格的技术等有效方式得到由焊料层未老化(第1个老化阶段初始时刻，也即开始执行老化阶段的初始时刻)到该特定裂纹扩展长度下(第i个老化阶段)的不同老化阶段的有限元结壳热阻，即R_th(0)、R_th(1)、R_th(2)、R_th(3)、……、R_th(i-1)、R_th(i)，在已进行了一定老化程度试验的结壳热阻曲线上找到这些结壳热阻值的功率循环周期次数N₁、N₂、N₃、……、N_i-1、N_i。然后，将这些已进行的老化阶段有限元仿真获得的结温波动以及通过查表的方式获取该对应老化阶段焊料层单元格的组合刚度和施加应变，带入到Clech算法等类似的本构方程中，并计算得到不同老化阶段焊料层各个单元格的非弹性应变能密度。结合已经查到的不同老化阶段的试验功率循环周期数和对应老化阶段的焊料层单元格的非弹性应变能密度，可以计算出试验已累积的损伤值。

本申请中，测量结温有多种方式，可以拆卸模块，通过红外热成像仪测得，也可以不拆卸外壳，通过温敏电参数法测得(在老化试验前，建立小电流下功率器件的导通压降与不同温度的线性关系。在老化试验中，通过测得小电流下的功率器件的导通压降，也可间接得到芯片结温)，这些结温的测量方法都已在文献中得到证明和应用，本领域技术人员可以理解。

第1个老化阶段，即指对功率器件开始执行老化阶段，到第1个单元格失效的老化阶段。

在一个老化阶段结束后，计算该老化阶段所消耗的功率循环周期的方法是：在模拟裂纹扩展的不同老化阶段的有限元模型中，焊料层中的每个单元格都经历了一定程度的损伤，然而损伤的程度受单元格的位置影响，越靠近裂纹扩展处的单元格，非弹性应变能密度越大，受到的损伤也就越大。之所以获取第i老化阶段之前的各老化阶段的对应的试验功率循环周期数，是为了计算各个老化阶段老化试验模块所累积的损伤，以便于后续计算模块的剩余寿命。

随着功率循环试验进行到一定程度时，结壳热阻有明显上升，比如说当热阻上升了10％，此时需要知道该功率循环试验焊料层达到失效标准时，即结壳热阻增长20％，还需要进行的功率循环周期数。

结壳热阻可以先通过有限元热仿真或者建立RC热网络来获取。在该例证中，采取了有限元热仿真的方式，获取了在结壳热阻上升10％的情况下的裂纹扩展长度，为消除4个单元格的长度。消除的是焊料层边角的四个单元格(即从焊料层端部向内的4个单元格)。单元格消除的位置是由有限元热力仿真结果决定的。非弹性应变能密度累积大的位置，最先发生单元格消除。如果消除单元格的位置不同，结果会不同。此时记录老化试验的功率循环周期数为N₅＝151030，然后有限元热仿真可以获取消除3个单元格、2个单元格、1个单元格，0个单元格时候的结壳热阻增量，如表3所示，根据这些结壳热阻的增量在结壳热阻上升了10％的老化试验的结壳热阻曲线上查找对应的功率循环数N₄＝135550、N₃＝125320、N₂＝120410、△N₁＝112150，如表4所示。即△N₂＝N₂-△N₁，△N₃＝N₃-N₂。然后消除焊料层边角开始(即焊料层侧表面矩形形状的边界)的5个单元格，发现热阻增量已经到了23.2％，满足了焊料层的失效标准。然后，记录下消除5个单元格下的焊料层单元格的温度波动。然后将温度波动带入到Clech算法中，并通过查表的形式(步骤2中获取的表格)获得对应的组合刚度和施加应变(表1和表2中具有下划线的数据为第6个单元格在不同老化阶段的组合刚度和施加应变)，运行Clech算法，并结合通过查表获得的组合刚度和施加应变，带入Clech算法等材料的本构方程中，获得第6个单元格在六个老化阶段下的非弹性应变能密度，其相应的第6个单元格在不同老化阶段的损伤累积也被计算并展示在表4中，可知：

通过有限元热仿真、建立RC热网络得到结壳热阻，为已有技术，本领域技术人员可以理解。

此时即可通过本发明所提出的方法预测出当从老化试验结壳热阻增加到10％到结壳热阻增加到23.2％时所需要的功率循环数ΔN₅为次，然后再通过求取占比的方式计算出老化试验在结壳热阻增加了10％到失效(焊料层结壳热阻增加20％)的功率循环数，即剩余寿命N_{re_pro}：

本发明中，将老化阶段分老化阶段性的近似看作线性关系，即可以通过求取占比的方式来计算N_{re_pro}。

实际老化试验进行到结壳热阻增长10％时，要对剩余寿命进行预测。根据本发明实施例所提的剩余寿命预测方法，计算得到了剩余寿命为8655次。为了验证本申请方法的效果，继续开启实际老化试验，直至结壳热阻增长20％,，达到焊料层失效标准，测得从功率器件开始使用到失效的循环周期数为159250次(即结壳热阻增长20％对应的功率循环周期数)。因此，实际的剩余功率循环次数为159250次-151030次＝8220次。由此可知，本发明实施例的方法的预测结果N_{re_pro}的值相比于实际的剩余功率循环次数，预测误差为5.3％，如图6所示。并且整个预测方法的耗时在一个小时以内，说明了本发明所提剩余寿命预测方法具有快速性、实时性、可行性以及高精度的特点。

表3不同老化阶段的热仿真结果以及通过算法计算的非弹性应变能密度结果

步骤4、接着继续通过有限元或者其他方式来模拟裂纹扩展，从第i+1老化阶段直到满足焊料层的失效标准，接着获取从第i+1老化阶段到满足焊料层的失效标准的这些老化阶段焊料层危险单元格的温度波动，带入到Clech算法等类似的本构方程中，并在该算法中通过查表的方式获取该对应裂纹扩展长度下焊料层单元格的组合刚度和施加应变，计算得到不同老化阶段焊料层危险区域单元格的非弹性应变能密度，最终计算从第i老化阶段到裂纹扩展到裂纹长度的各老化阶段的需要消耗的功率循环周期数，即模块的剩余寿命。

步骤4中，焊料层的失效标准是老化阶段模块的结壳热阻比未老化模块的结壳热阻增长20％。在模拟裂纹扩展单元格被消除，焊料层的散热面积就会减小，结温就会相应升高，造成结壳热阻会随单元格老化阶段性消除而逐渐变大。

假设每个老化阶段杀死一个单元格，每个单元格的总非弹性性应变能W_{tot_e}是固定的，为了便于后续描述一个单元格在多个不同老化阶段的损伤累积，将每个单元格的消耗的非弹性应变能都被归一化处理，即定义单位损伤累积D_e为W_{tot_e}的倒数。单元格每经过一次功率循环都会消耗一定的非弹性应变能，该单元格所消耗的非弹性应变能乘以单位损伤累积，便是归一化后的单元格的消耗的非弹性应变能，即在该单元格上造成相应的损伤累积。随着功率循环的持续进行，一旦单元格上损伤累积达到1，单元格就会被杀死。通过加速老化试验，可以提取IGBT模块焊料层裂纹和空洞萌生时的功率循环周期ΔN₁，然后结合未老化模块提取的焊料层边角的非弹性应变能密度ΔW₁(其通过热仿真获取的焊料层单元格的温度波动以及机械仿真获取的焊料层单元格的组合刚度和施加应变，并带入Clech算法计算获得)，可计算出焊料层每个单元格的总非弹性应变能，即单位损伤累积D_e，如式(4.11)所示：

本申请的功率器件开通、关断一次被称作一个功率循环。即IGBT模块开始工作，直到IGBT模块断电被称作一组/一个功率循环试验。

每个老化阶段杀死一个单元格，即理解为一个单元格失效，对被消除的单元格不再做进一步的计算，被消除的单元格再后续部中保持无效。其热力仿真都不会参与运算。

带入Clech算法计算获得非弹性应变能密度ΔW₁，为已有技术，可参考文献：Reliability Prediction for IGBT Solder Joints Using Clech Algorithm；LifetimePrediction of IGBT Modules in Suspension Choppers of Medium/Low-Speed MaglevTrain Using an Energy-Based Approach；Reliability of Large Area Solder Jointswithin IGBT Modules:Numerical Modeling and Experimental Results。

功率循环次数的计数时，每进行一次开通关断循环(即功率循环)，计数就加1，可在DSP等单片机或者数据采集卡中都能通过编程实现，本领域技术人员可以理解。

本方案提出了每个单元格的非弹性应变能总量是相同的。每次功率循环都会消耗一定量的非弹性应变能，即非弹性应变能密度。因此，将非弹性应变能总量减去以消耗的非弹性应变能即可得到该单元格的在经历了一定次数功率循环的剩余非弹性应变能，然后，除以后续老化阶段仿真该单元格的非弹性应变能密度，即可求出，消除该单元格所需要的功率循环数。并不能说单元格的功率循环次数与该单元格消耗的非弹性应变能有关系。

如果一个单元格的总非弹性应变能为W_{tot_e}，功率循环N次时该单元格完全损坏，则每个单元格、每次循环的单位损伤累积应为W_{tot_e}/N，但是，为了方便后续描述多个不同老化阶段的损伤累积，将D_e作为单位损伤累积，方便后续将每个单元格的消耗的非弹性应变能归一化处理。

非弹性应变能密度是代表一个功率循环周期中某个单元格受到损伤的程度。当一个单元格的非弹性应变能消耗完，即该单元格失效。某个单元格从开始工作到该单元格被消除，即是该单元格消耗完所有的非弹性应变能。

假设，从裂纹萌生开始预测焊料层失效的剩余寿命，即加速老化试验已经运行了ΔN₁，通过消除焊料层边角的一个单元格模拟裂纹扩展老化阶段，即第1老化阶段，并进行热仿真，提取结壳热阻R_{th_1}，判断是否R_{th_1}≥1.2R_{th_0}，如果判断不成立(否)，运行第2老化阶段对应的瞬态热仿真或者RC热网络方式获取温度波动，并结合Clech算法计算获取焊料层危险区域单元格的非弹性应变能密度，此时第2个单元格在第1老化阶段经过了ΔN₁个功率循环周期，即累积了一定的损伤D₁₂，计算方法如式(4.12)所示：

D_1,2＝W_1,2·D_e＝(ΔW_1,2·ΔN₁)·D_e (2)

公式中，ΔW₁₂为裂纹扩展老化阶段即将失效的单元格在裂纹萌生老化阶段损耗的的非弹性应变能密度。

同理单元格i在第1老化阶段经过了ΔN₁个功率循环周期，也消耗了相应的非弹性应变能，计算方法如式(4.12)所示：

D_1,i＝W_1,i·D_e＝(ΔW_1,i·ΔN₁)·D_e (3)

公式中，ΔW_1,i为裂纹扩展老化阶段第i个单元格在第1老化阶段下损耗的非弹性应变能密度，可以通过进行有限元热仿真，提取对应焊料层单元格的温度波动，同时通过查表获取的对应的组合刚度和施加应变，并结合Clech算法计算获取焊料层危险区域单元格的非弹性应变能密度；

因此，单元格的损伤阈值1减去第2个单元格已产生的损伤累积就可以得到第2个单元格的剩余损伤累积，然后除以单位损伤累积和产生裂纹后的即将失效第2个单元格的非弹性应变能密度ΔW₂，即可得到在第2老化阶段(裂纹扩展，消除第2个单元格)的功率循环周期ΔN₂，如式(4.13)所示：

在上述描述中，第1个单元格被消除的过程，此为第1老化阶段，在该第1老化阶段，第2个单元格还未消除，在下一老化阶段(第2老化阶段)将被消除。ΔW₂是第2个单元格在第1老化阶段的非弹性应变能密度。ΔW_i是从有限元热力仿真结果中或者Clech算法计算得到的。

因此，消除第2个单元格所需要消耗的功率循环周期数(即从初始时刻到消除第2个单元格的时刻)为：

而后，消除第3个单元格的过程，即第3老化阶段。可以进行类似于第2老化阶段的模拟步骤，第3个单元格经历了第1老化阶段的功率循环周期ΔN₁和第2老化阶段的功率循环周期ΔN₂，第3老化阶段下第3个单元格的非弹性应变能密度为ΔW₃。因此，计算得出从消除第1个单元格的时刻到消除第3个单元格的时刻所需要消耗的功率循环周期数ΔN₃：

综上，消除单元格i所需要的功率循环周期数(或功率循环次数)ΔN_i取决于该单元格在之前第1老化阶段、第2老化阶段、……、第i-1老化阶段所积累的损伤。由此：

功率器件上表面优选为正方形。即可利用功率器件高度方向、功率器件宽度方向的结构建立二维模型，也可利用功率器件高度方向、功率器件长度方向的结构建立二维模型。当然，功率器件表面也可为矩形等形状。

本申请试验时，功率器件可一直处于通电工作的状态(一直开断)。然而，申请人在研究时发现，即使工作一段时间令功率模块断电，再启动后，经过几个功率循环，数据即可接近或回到原有的结壳热阻所在的曲线上，即即使功率模块断电，也不影响本申请的预测精度。

表4从老化试验提取的功率循环周期数

表5老化试验和本发明所提方法的剩余寿命结果

采用本发明方法后，预测精度为95％左右，预测时间为一个小时以内。

本发明提供一种能够准确描述焊料层裂纹逐级扩展老化过程的剩余寿命在线预测方法。该预测方法从焊料层的失效机理出发，将焊料层退化过程分解为“离散”的多个老化阶段，并着眼于焊料层裂纹扩展过程中损伤累积效应，较为准确合理地描述焊料层疲劳老化过程。在本发明预测剩余寿命过程中，首先通过有限元获取不同老化阶段的焊料层单元格的组合刚度和施加应变的数据表格，然后通过消除焊料层单元格的方式模拟焊料层裂纹萌生和扩展老化过程的有限元仿真或其他热计算方式获得的结壳热阻，并且和试验已发生的疲劳老化过程实时监测的结壳热阻一一对应，在功率循环试验结壳热阻曲线中查找出这些结壳热阻值对应的试验功率循环周期数，同时通过比较查表获得焊料层组合刚度和施加应变，结合Clech算法或者类似方法获得不同老化阶段焊料层单元格的非弹性应变能密度，然后通过查到的试验功率循环周期数和计算的焊料层单元格的非弹性应变能密度，计算获得循环了一定周期的老化试验已经发生的损伤累积，最后，基于已知的试验损伤累积，对后续试验疲劳老化直至失效进行剩余寿命预测评估，建立一种可以实时监测模块焊料层损伤程度并能够准确预测焊料层失效的剩余寿命在线预测方法。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均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的部分互相参见即可。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (8)

1.一种基于芯片焊料层裂纹长度扩展的功率器件剩余寿命预测方法，其特征在于：定义第一直线(La)为在功率器件侧面上沿高度方向延伸、且将芯片层在所述功率器件侧面的面积均分的直线，所述功率器件侧面是由功率器件的高度、功率器件的长度/宽度构成的面；

所述功率器件剩余寿命预测方法包括：

A、根据功率器件的封装结构的材料和尺寸参数，建立与位于功率器件侧面上第一直线(La)一侧的结构对应的有限元二维模型/有限元三维模型；

所述有限元二维模型的两个维度分别对应功率器件的高度、功率器件的长度/宽度；

所述有限元三维模型中，其中两个维度分别对应功率器件的高度、功率器件的长度/宽度，另一个维度对应功率器件的宽度/长度；

所述有限元二维模型/有限元三维模型的仿真工作环境与实际试验中功率器件的工作环境一致；

沿着有限元二维模型/有限元三维模型中与功率器件长度/宽度方向对应的方向，将所述有限元二维模型/有限元三维模型中的芯片焊料层模型均分为K个单元格；

从芯片焊料层模型中与实际芯片焊料层端部对应的一端向芯片焊料层模型中与实际芯片焊料层长度/宽度中心对应的另一端，第1个单元格、第2个单元格、……、第K个单元格依次设置，10≤K≤100；

对所述有限元二维模型/有限元三维模型依次执行第1老化阶段、第2老化阶段、……、第S+1老化阶段，其中，焊料层裂纹长度随着失效的单元格数量增加而增大，第k老化阶段完成时刻为第k个单元格被消除的时刻，k＝1,2,……,S+1；

其中，S的取值满足下式：

R_th(S)＜R_{th_u％}≤R_th(S+1)；

其中，R_th(0)为功率器件的初始结壳热阻，R_th(k)为第k老化阶段完成时刻功率器件的结壳热阻，R_{th_u％}为与预设百分比u％对应的结壳热阻，芯片焊料层失效时刻为结壳热阻达到R_{th_u％}的时刻；

实时监测实际试验中功率器件的功率循环次数、与功率循环次数对应的功率器件的结壳热阻，从而得到功率循环次数与结壳热阻的对应关系；

当需要计算从当前功率器件的结壳热阻为R_x的时刻到芯片焊料层失效时刻所需的功率循环次数L_x时，则判断R_x≥R_th(1)是否成立，若判断结果为是，则判断当前功率器件的结壳热阻R_x在区间[R_th(1),R_th(2))、[R_th(2),R_th(3))、……、[R_th(S),R_th(S+1))中的哪个区间中，否则继续监测；

若判断R_x在区间[R_th(m),R_th(m+1))中，其中m为整数且1≤m≤S，则利用下式计算从功率器件的结壳热阻为R_x的时刻到芯片焊料层失效的时刻所需的功率循环次数L_x：

其中：

其中，ΔN₁是所述对应关系中与R_th(1)对应的功率循环次数，ΔN_i为第i老化阶段中进行的功率循环次数，ΔW₁为第1个单元格在第1老化阶段的每个功率循环损失的非弹性应变能密度，ΔW_i为第i个单元格在第i老化阶段中的每个功率循环损失的非弹性应变能密度，ΔW_j,i为第i个单元格在第j老化阶段中的每个功率循环损失的非弹性应变能密度，D_j,i为第i个单元格在第j老化阶段累积的损伤，2≤i≤S+1。

2.根据权利要求1所述的功率器件剩余寿命预测方法，其特征在于：利用Clech算法或在所述有限元二维模型/有限元三维模型执行有限元热力仿真，从而得到ΔW₁、ΔW_i、ΔW_j,i的值。

3.根据权利要求1所述的功率器件剩余寿命预测方法，其特征在于：30≤K≤200。

4.根据权利要求3所述的功率器件剩余寿命预测方法，其特征在于：50≤K≤100。

5.根据权利要求1所述的功率器件剩余寿命预测方法，其特征在于：结壳热阻R_th的计算公式为：

其中，T_j为结温估计值，T_c为功率器件壳体底端温度，P_Loss为功率器件的功率。

6.根据权利要求1所述的功率器件剩余寿命预测方法，其特征在于：所述工作环境包括功率器件的功率、功率器件开通的时间和关断的时间、施加给功率器件的冷却条件。

7.根据权利要求6所述的功率器件剩余寿命预测方法，其特征在于：功率器件每次开通的时间相等，每次关断的时间相等。

8.一种基于焊料层裂纹长度扩展的功率器件剩余寿命预测系统，其特征在于，包括计算机设备；所述计算机设备被配置为用于执行权利要求1-7中任一项所述的剩余寿命预测方法的步骤。

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