[发明专利]基于表面微应变信号的IGBT键合引线故障诊断方法

说明书

本发明公开了一种基于表面微应变信号的IGBT键合引线故障诊断方法，首先利用仿真软件对IGBT的电‑热‑力场进行仿真，得到不同故障状态的IGBT表面键合线各引脚处的微应变信号；利用时频域分析的方法对故障的特征进行分析，并选取能明显表征差异的参数指标作为特征向量；利用支持向量机的原理，将特征向量和分类标签组成样本集，利用OVA方法每次将样本看作两大类，对其进行二次规划和最优化问题求解，再利用对偶问题求出满足KKT条件的最优解，并引入核函数使其在高维线性空间中进行分类，找到支持向量即距离超平面最近的样本点代入最优解，找到分类模型的决策函数，最后将样本集输入模型，进行训练和预测，从而完成IGBT键合引线故障诊断。

技术领域

本发明属于IGBT键合引线故障诊断技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于表面微应变信号的IGBT键合引线故障诊断方法。

背景技术

当前，对绝缘栅双极性晶体管(IGBT)功率模块的高可靠性设计需求愈发强烈，而其小批量、高价值、强定制化和强环境约束的特征，使得传统电子产品依赖大批量试验暴露缺陷→不断改进优化→基于数理统计和概率并联的可靠性建模评估方法不再适用。因此必须从影响IGBT可靠性的物理本质出发，获取物理参量信息，明确多物理场效应到封装模块性能的不确定性关系。

作为最新一代的复合全控型功率半导体器件，IGBT将功率和双极晶体管的优点集于一身，具有电压控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快和工作频率高等特点，其封装级失效主要为键合引线故障和焊料层疲劳。引线键合技术是当今最重要的电子封装技术之一，键合引线主要起流通电流的作用，90％以上的芯片均采用引线键合技术。模块承受持续的高温、低温的变换产生交变的热应力，造成的剥离效应累积到一定程度后，就会造成键合引线脱落或者断裂。当一根键合引线失效时，流过其他键合引线的电流增大且发热增加，加速IGBT模块失效，直接影响IGBT模块的可靠性，因此对键合引线故障的诊断研究在IGBT失效模型研究上有重大意义。

因为键合引线失效直接影响IGBT封装的热应力变化，所以许多学者从温度场和应力场进行研究，目前的研究方法主要有测量热阻抗和温度的变化，热阻抗的值增大20％就可以认定IGBT功率模块的层结构发生损伤故障，通过测量底板温度计算热阻抗值，这种方法实现容易，但测温时受环境温度和散热条件的影响较大；还有学者通过测量IGBT关断过程产生的机械应力波，对底板的振动信号进行分析，从而对IGBT是否发生故障进行诊断。无论是测量电参数如电阻、电压，还是检测机械应力波，现有的方法都无法对键合线断裂的位置进行判断，因此对键合线故障评估展开新的分析角度和方法有很大的研究意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于表面微应变信号的IGBT键合引线故障诊断方法，在IGBT表面直接获取其形变信号，利用信号处理方法对键合引线完整和故障信号进行特征分析，可以判断键合线故障及其故障位置，在支持向量机中进行分类模型建立，可以对IGBT键合引线故障进行诊断和预测。

为实现上述发明目的，本发明基于表面微应变信号的IGBT键合引线故障诊断方法，包括以下步骤：

(1)、获取IGBT表面微应变信号

1.1)、建立IGBT几何模型，包括模块的基座铜底板、DBC焊料层、DBC衬底、IGBT芯片焊料层、IGBT芯片，DBC衬底等，利用COMSOL Multiphysics5.5对各层结构分别建立对应的模型，设置形状、材料和参数；

1.2)、添加电场、热场、力场，对每个物理场设定边界条件，完成热-力-电多物理场的耦合，并在电场中添加激励条件为一定大小、频率、占空比的PWM方波电流；

1.3)、对模型进行网格剖析并进行计算，得到仿真结果，选取每根键合线引脚附近处的Z轴位移变化保存为一组数据。分别设置键合线不同故障类型，重复上述步骤，得到键合线故障的表面位移变化数据即表面微应变信号；

(2)、故障特征分析