計(jì)及低強(qiáng)度熱載荷疲勞累積效應(yīng)的IGBT功率器件壽命模型研究.pdf

1、隨著我國(guó)新能源電力的規(guī)?；_(kāi)發(fā)，新能源發(fā)電（包括風(fēng)電、光伏和海洋潮汐流發(fā)電等）裝機(jī)容量快速增長(zhǎng)，對(duì)功率變流器的容量、效率和可靠性的要求越來(lái)越高。特別是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行條件惡劣，風(fēng)電變流器功率器件長(zhǎng)期處于交變的疲勞載荷下，加速了材料和內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)的老化，導(dǎo)致故障率增高。因此提高變流器可靠性、降低設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)和運(yùn)維成本顯得尤為迫切和重要，而提高變流器可靠性很大程度上依賴于較為準(zhǔn)確的壽命評(píng)估模型。
　　近年來(lái)對(duì)半導(dǎo)體功率器件的可靠性和

2、壽命模型研究受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，主要在大熱載荷沖擊下進(jìn)行加速老化試驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立壽命建模。而功率器件運(yùn)行中實(shí)際承受的熱循環(huán)（結(jié)溫波動(dòng)）一般為40 ℃左右，與基于70 ℃以上熱循環(huán)的加速老化壽命試驗(yàn)相去甚遠(yuǎn)?，F(xiàn)有的壽命模型不能有效反映低強(qiáng)度交變熱應(yīng)力沖擊對(duì)器件壽命的影響。因此需要突破傳統(tǒng)的加速老化壽命試驗(yàn)方法，從熱應(yīng)力作用的實(shí)際機(jī)理出發(fā)，提出新的思路和壽命評(píng)估方法，建立更貼近實(shí)際情況的壽命模型。
　　本文針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注的難

3、題，即如何表征長(zhǎng)期低強(qiáng)度熱應(yīng)力沖擊在器件壽命消耗中的作用，進(jìn)行深入的理論分析和系列測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究。分析器件性能衰退和失效演化的過(guò)程，建立計(jì)及疲勞累積效應(yīng)、定量化描述持續(xù)小幅度溫度沖擊對(duì)IGBT器件熱疲勞壽命的作用效果的壽命評(píng)估模型。圍繞這一主題，本文展開(kāi)了以下幾個(gè)方面的研究工作：
　?、俅罱üβ恃h(huán)試驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了不同應(yīng)力水平的極限載荷功率試驗(yàn)，分析 IGBT模塊在大載荷下的失效過(guò)程，提取了不同失效方式的特征參數(shù)。通過(guò)分析Coffi

4、n-Manson模型缺點(diǎn)，建立了融入平均結(jié)溫作用的壽命模型。通過(guò)定量分析結(jié)溫差和平均結(jié)溫的作用強(qiáng)度，并與模塊物理失效過(guò)程進(jìn)行比對(duì)，改進(jìn)了Coffin-Manson-Arrhenius模型，通過(guò)對(duì)比分析表明了改進(jìn)的Arrhenius模型精度更高。研究了在大載荷沖擊下（加速老化）IGBT模塊的失效機(jī)制，并證明了焊料層疲勞老化是主要的失效方式，為研究低強(qiáng)度熱載荷對(duì)器件壽命的影響提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　②建立了基于電-熱-機(jī)多物理場(chǎng)效應(yīng)分析

5、模型，分析了半導(dǎo)體功率模塊在不同運(yùn)行條件下的溫度、瞬態(tài)熱應(yīng)力分布，尤其是器件焊料層故障下在裂縫尖端分析瞬態(tài)熱應(yīng)力的分布，并在相同平均結(jié)溫下定量分析了溫度波動(dòng)范圍和應(yīng)力差的關(guān)系，為小載荷試驗(yàn)的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。分析了不同載荷水平對(duì)不同老化程度（根據(jù)熱阻的增量判定）的影響規(guī)律，并驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性，提取了模塊在不同載荷和失效程度下的熱阻退化率，為建立壽命模型提供數(shù)據(jù)支撐。通過(guò)數(shù)值仿真和系列試驗(yàn)證明了低強(qiáng)度熱載荷對(duì)器件壽命的影響。
　

6、?、鄹鶕?jù)模塊失效過(guò)程中熱阻變化規(guī)律和器件退化的通用模型，提取了在大載荷沖擊下的熱阻退化指數(shù)，并在提取的小載荷失效信息的基礎(chǔ)上計(jì)算出小載荷影響下的退化指數(shù)，建立了退化指數(shù)計(jì)算模型。根據(jù)Coffin-Manson模型與退化指數(shù)模型建立了基于溫度循環(huán)的非線性疲勞累積損傷模型，以單一、多載荷曲線對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明所建壽命模型具有較好的精度，反映了長(zhǎng)期低強(qiáng)度熱應(yīng)力作用機(jī)制，改進(jìn)了現(xiàn)有的非線性疲勞累積模型。
　?、芡ㄟ^(guò)對(duì)模塊熱阻參數(shù)變化

7、過(guò)程及裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的演化過(guò)程分析，提出了基于小載荷作用機(jī)制的分段式疲勞累積損傷模型。其中在線性區(qū)采用 Miner線性累積模型，在非線性區(qū)融入大、小載荷在不同健康狀態(tài)下的作用效果，建立了累積增長(zhǎng)率計(jì)算模型。并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明模型精度較高。該模型反映了大幅度溫度沖擊和持續(xù)性小幅度溫度循環(huán)與壽命之間的關(guān)系，為功率器件的壽命預(yù)測(cè)和可靠性設(shè)計(jì)提供了新的方法。
　?、菰陔S機(jī)載荷下對(duì)壽命模型進(jìn)行對(duì)比分析，表明所建立的壽命模型能提供更加

8、貼近實(shí)際的預(yù)測(cè)結(jié)果。通過(guò)分析不同條件下的壽命評(píng)估結(jié)果，總結(jié)出了載荷水平對(duì)模塊失效的作用范圍。在實(shí)際風(fēng)速變化影響下對(duì)雙饋電機(jī)機(jī)側(cè)變流器功率器件進(jìn)行分析，結(jié)果表明環(huán)境溫度、開(kāi)關(guān)頻率對(duì)器件壽命影響較大。
　　本文嘗試性的解決了業(yè)界普遍關(guān)注的問(wèn)題：傳統(tǒng)的壽命模型不能反映長(zhǎng)期低強(qiáng)度熱載荷產(chǎn)生的疲勞累積效應(yīng)，無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)器件工作壽命。并定性、定量的分析了低強(qiáng)度載荷對(duì)器件壽命的影響，建立了反映長(zhǎng)期低強(qiáng)度應(yīng)力作用下的疲勞累積效應(yīng)與 IGBT功率模