計及疲勞累積效應的IGBT模塊焊料層失效機理及疲勞損傷研究.pdf

1、作為電動汽車驅動、新能源發(fā)電、智能電網(wǎng)、軌道交通等領域中電能轉換的關鍵單元，IGBT功率模塊逐步成為全球發(fā)展“綠色經(jīng)濟”的重要支點，其安全可靠性為解決能源短缺和降低碳排放量提供重要保證。焊料層是構成IGBT模塊內(nèi)部電氣連接、機械支撐以及散熱通道的重要部分，其可靠連接保證了功率模塊功能的正常實現(xiàn)。面對各種復雜、嚴苛的工作環(huán)境，焊料層的熱疲勞損傷是模塊失效的主要模式之一，因此，充分了解焊料層疲勞失效機理、探究焊料層損傷在IGBT模塊中產(chǎn)生的

2、影響，對提高IGBT模塊的可靠性有重要意義。盡管目前已經(jīng)有很多學者對封裝模塊焊料層的疲勞失效機理進行了研究，但主要側重于從表面檢測或外部電參量來分析焊料層的失效狀態(tài)，缺乏從物理機制方面來深入探究焊料層失效機理。此外，大多數(shù)研究忽略了焊料層累積損傷對IGBT模塊疲勞失效的影響，造成目前IGBT模塊的在線監(jiān)測、壽命評估方法存在一定的誤差。
　　基于此，本文以 SKM50GB12T4型號的 IGBT模塊為研究對象，通過有限元仿真技術，結

3、合理論分析以及老化實驗，開展了對IGBT模塊焊料層的失效機理分析和疲勞損傷研究。文章考慮了焊料層的損傷累積效應，研究成果為更準確地進行IGBT模塊可靠性評估和狀態(tài)監(jiān)測提供理論基礎和技術支持。
　　本文研究的主要內(nèi)容包括：
　　①針對目前單一的電-熱或熱-力仿真模型無法同時考慮電、熱和機械特性對IGBT模塊疲勞失效的影響，文章建立了考慮焊料層粘塑性效應的電-熱-力多物理場耦合模型，對 IGBT模塊的失效機理進行分析。首先，利用

4、 MATLAB/Simulink仿真平臺，建立IGBT模塊的等效Foster熱網(wǎng)絡模型，計算芯片在額定電流下產(chǎn)生的功率損耗。其次，基于有限元仿真軟件ANSYS14.5，建立了IGBT模塊的等比例有限元模型，綜合Foster熱網(wǎng)絡模型結果對IGBT模塊進行電-熱-應力耦合分析。最后，針對焊料層的粘塑性力學行為，對其隨時間發(fā)生的疲勞失效機制進行詳細研究。
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5、時的有限元分析，針對這一問題，文章以溫度參量代替應力應變參數(shù)，提出一種焊料層疲勞失效評估模型。首先，基于現(xiàn)有疲勞壽命模型選取了能表征焊料層疲勞失效的力學指示參數(shù)，分析功率循環(huán)中結溫波動、最小結溫、功率循環(huán)周期對焊料層疲勞指示參數(shù)的影響程度及影響規(guī)律。之后，基于得到的影響規(guī)律和仿真數(shù)據(jù)，通過最小二乘法建立了溫度變量與焊料層疲勞指示參數(shù)之間的曲面函數(shù)。
　　③裂紋的萌生和擴展是焊料層最主要的失效模式之一，但目前對IGBT模塊及焊料層的

6、壽命預測和失效評估研究往往忽略了裂紋損傷的作用，針對這一問題，文章分析了裂紋損傷模塊的失效機制，并提出計及疲勞累積效應的焊料層失效評估模型。首先，基于裂紋擴展的物理機制，在ANSYS中建立IGBT模塊的裂紋損傷有限元模型，分析功率循環(huán)下?lián)p傷模型內(nèi)部的熱-應力場特點，詳細探究了裂紋長度對IGBT模塊熱阻的影響規(guī)律。其次，通過對比相同結溫波動載荷在損傷模型和完整模型中產(chǎn)生的老化效果，提出了包含損傷因子的焊料層疲勞失效評估模型。最后，通過加速