[发明专利]一种多芯片并联IGBT模块可靠性综合评价方法及系统

说明书

本发明公开了一种多芯片并联IGBT模块可靠性综合评价方法及系统，其中，方法的实现包括：建立多芯片并联IGBT模块栅极‑发射极电压可靠性模型，并进行芯片疲劳故障测试，选取栅极‑发射极电压为故障特征量；建立多芯片并联IGBT模块跨导的可靠性模型，并进行键合线脱落故障测试，选取模块传输特性曲线为故障特征量；用皮尔逊相关系数表征IGBT模块健康度，分别计算不同程度下的芯片疲劳和键合线脱落故障状态下的健康度PPMCC_C和PPMCC_B；依据PPMCC_C和PPMCC_B综合评价多芯片并联IGBT模块可靠性。通过本发明能同时监测IGBT模块中的芯片疲劳和键合线脱落故障，且计算简单、综合特性好，能实现多芯片IGBT模块整体可靠性评估。

技术领域

本发明属于电力电子关键器件可靠性技术领域，更具体地，涉及一种多芯片并联IGBT模块可靠性综合评价方法及系统。

背景技术

绝缘栅双极性晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)模块是由多个IGBT芯片、二极管芯片、焊料层、键合线、陶瓷覆铜基板、散热底板及功率端子组成的电力电子集成模块。IGBT模块主要应用于逆变器、变频器、不间断电源、风力和太阳能发电等领域，是功率变流器中的核心器件，也是功率变流器中失效率最高的器件之一。作为大功率变换器中的关键核心器件，IGBT模块的可靠性是电力电子应用中的重要问题。为降低功率变流器的故障率，提高功率变流器的可靠性，对IGBT模块进行可靠性评估具有重要意义。

由于半导体器件中各层材料热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion，CTE)不一致，结温的波动引起各层膨胀程度不同，使得各层之间产生热应力，导致焊料层疲劳或键合线脱落。芯片焊料层疲劳失效和键合线脱落是IGBT模块主要的老化失效机制。目前针对IGBT模块可靠性研究大多数集中于健康敏感参数，选取模块电参数为故障特征，但目前大多只能实现一种故障状态的监测，无法同时监测芯片故障和键合线故障。因此，利用单一健康敏感参数难以实现IGBT模块健康状态准确监测和IGBT模块可靠性综合评价。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种多芯片并联IGBT模块可靠性综合评价方法及系统，针对IGBT模块中芯片疲劳故障和键合线脱落故障，能准确评估模块健康状态和可靠性，且操作简便。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多芯片并联IGBT模块可靠性综合评价方法，包括：

(1)建立多芯片并联IGBT模块栅极-发射极电压可靠性模型，基于栅极-发射极电压可靠性模型实现芯片疲劳故障测试，并选取栅极-发射极电压为故障特征量；

(2)建立多芯片并联IGBT模块跨导的可靠性模型，基于跨导的可靠性模型实现键合线脱落故障测试，并选取模块传输特性曲线为故障特征量；

(3)定义IGBT模块健康度，用皮尔逊相关系数表征健康度，计算不同程度下的芯片疲劳故障状态下的健康度PPMCC_C以及不同程度下的键合线脱落故障状态下的健康度PPMCC_B；

(4)依据PPMCC_C和PPMCC_B综合评价多芯片并联IGBT模块可靠性。

在一些可选的实施方案中，所述步骤(3)的具体实现方法为：

(3.1)采用健康度表征IGBT模块可靠性，在模块无芯片疲劳故障且无键合线脱落故障时，其健康度最大，在IGBT模块处于健康初始状态无芯片疲劳故障时，栅极-发射极电压特征向量为在IGBT模块中有i个芯片故障时，栅极-发射极电压特征向量为在IGBT模块处于健康初始状态无键合线脱落故障时，IGBT模块传输特性曲线特征向量为在IGBT模块中有p根键合线脱落时，IGBT模块传输特性曲线特征向量为