[发明专利]热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳裂纹扩展仿真方法

权利要求书

1.一种热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳裂纹扩展仿真方法，其特征在于：所述仿真方法具体过程为：

1)根据功率半导体器件的封装结构尺寸和焊料层的材料组成重构功率半导体器件几何模型，并将焊料层划分为若干个焊料单元格；

2)建立功率半导体器件电气模型

建立功率半导体器件电气模型，结合功率半导体器件实际工况，确定电路仿真参数和初始结温条件，并进行功率半导体器件损耗的仿真计算，实时提取功率半导体器件的损耗；

3)建立功率半导体器件电-热-力耦合模型

将功率半导体器件几何模型导入有限元仿真平台，根据功率半导体器件的类型和实际工况，确定传热边界条件及力学边界条件并进行热-力耦合建模；结合传热边界条件、力学边界条件和步骤2)提取的损耗进行热-力耦合有限元仿真计算，并提取器件芯片的平均温度、焊料单元格编号、焊料单元格三维位置坐标、焊料单元格传热系数矩阵、焊料单元格力学刚度系数矩阵和焊料单元格的粘塑性变形力学特征量；然后将器件芯片的平均温度反馈给电气模型，建立功率半导体器件的电-热-力耦合模型；

4)计算在一个仿真步增量内功率半导体器件所有焊料单元格的累积疲劳损伤；

5)基于每个焊料单元格的累积疲劳损伤，采取线性比例缩减原则修正步骤3)提取的每个焊料单元格的传热系数矩阵和力学刚度系数矩阵，并将修正后的每个焊料单元格的传热系数矩阵和力学刚度系数矩阵反馈回功率半导体器件热-力耦合模型，更新热-力耦合模型中的每个焊料单元格的传热系数矩阵和力学刚度系数矩阵，实现焊料层疲劳与功率半导体器件内部电、热、力多物理场耦合；

6)重复步骤4)～步骤5)进行循环迭代仿真，提取每一循环仿真步后焊料单元格的总累积疲劳损伤；当焊料单元格的总累积疲劳损伤达到预设阈值时判定该焊料单元格为完全疲劳失态单元格，否则为未完全疲劳失效单元格；结合步骤3)提取的焊料单元格编号及焊料单元格三维位置坐标可视化输出每一仿真步后焊料单元格的累积疲劳损伤失效状态分布情况，通过不同循环仿真步后焊料单元格的总累积疲劳损伤失效状态演变情况量化表征焊料疲劳裂纹扩展过程；当完全疲劳失效单元格面积占焊料层总面积比达到预设的失效阈值时，判定功率半导体器件因焊料层疲劳而完全失效，结束仿真循环。

2.根据权利要求1所述热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳裂纹扩展仿真方法，其特征在于：所述步骤3)中，粘塑性变形力学特征量包括粘塑性耗散能密度累积速率和粘塑性应变。

3.根据权利要求1所述热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳裂纹扩展仿真方法，其特征在于：所述步骤4)的具体过程为：

41)基于Miner线性累积疲劳损伤原理，则焊料单元格在Δn内累积疲劳损伤D增量定义为：

其中，k为仿真步的步计数，Δn为步增量，为焊料裂纹萌生疲劳损伤增量、为焊料裂纹扩展疲劳损伤增量；

计算焊料单元格第k仿真步的累积疲劳损伤：

其中，为焊料第k仿真步后累积的总焊料裂纹萌生疲劳损伤、为焊料第k仿真步后累积的总焊料裂纹扩展疲劳损伤；

42)循环步骤41)计算所有的焊料单元格的的累积疲劳损伤。

4.根据权利要求1所述热循环条件下功率半导体器件焊料疲劳裂纹扩展仿真方法，其特征在于：所述步骤5)中修正的具体过程为：

若焊料单元格的焊料裂纹扩展疲劳损伤大于0，下一循环仿真步前采取线性比例缩减原则将提取的焊料单元格的焊料传热系数矩阵[λ_k]和力学刚度系数矩阵[E_k]乘以修正系数并反馈回热-应力耦合模型：

式中，[λ_k+1]为下一循环仿真步焊料单元格的焊料传热系数矩阵、[E_k+1]为下一循环仿真步焊料单元格的焊料力学刚度系数矩阵。