[发明专利]一种基于多疲劳模式耦合的功率半导体器件寿命预测方法

说明书

本发明涉及一种基于多疲劳模式耦合的功率半导体器件寿命预测方法，针对功率半导体器件不同疲劳模式建立寿命预测模型；获得功率半导体器件不同疲劳失效模式下的疲劳寿命模型参数数据并带入寿命预测模型中；建立功率半导体器件电热耦合模型获取电热循环工况参数；将获取的电热循环工况参数，代入中寿命预测模型中，计算不同疲劳失效模式对应的疲劳寿命；根据疲劳寿命对电热耦合模型结壳热阻和导通电阻进行退化修正。不仅可以判断导致器件最终失效的疲劳模式，输出对应的疲劳寿命，而且还可以对器件服役过程中的热阻/导通电阻等参数的动态退化过程进行仿真提取，为功率半导体器件长期运行可靠性评估提供有效指导。

技术领域

本发明属于电力电子器件与装置可靠性技术领域，具体涉及一种基于多疲劳模式耦合的功率半导体器件寿命预测方法。

背景技术

电能变换模块通过功率元器件组合使用，基于各种调控策略实现电能“数字化”存储和变换，其中以IGBT为代表的功率半导体器件是控制电能开断的关键器部件，功率半导体器件是影响装置整体性能和安全可靠运行的关键因素。统计数据显示，在功率变流器的各个部件中，约40％的变流器失效都是由于功率半导体引起的，而维修排除这些故障所消耗的时间占总故障的时间60％以上。功率半导体器件属于典型异质复合结构，其正常电气功能的实现依赖于封装结构完整性。由于器件各封装材料之间存在热膨胀系数差异，当器件内部温度场反复波动时，不同封装结构之间产生扰动的热应力。在扰动热应力长期作用下封装材料内部微观结构缺陷不断萌生聚集，材料电、热传导及绝缘机械等性能退化，导致器件内部电热环境恶化，保证器件安全运行的电热边界也将发生动态退变。在电力电子装置运行初期，通过安全设计功率半导体器件可满足安全运行需求，但是随着功率半导体器件服役时间增长，由于其电热安全边界发生动态退化，器件发生瞬态电热击穿失效的概率大大增加，对电能变换模块安全可靠运行造成了极大威胁，严重制约了电力电子装置性能提升与长期运行可靠性。由此可见，准确预测长期服役过程中功率半导体器件使用寿命，对保障电力装备安全可靠运行具有重要意义。

实际运行条件下，功率半导体器件封装疲劳行为非常复杂，通常是多种疲劳模式同时发生，且不同疲劳模式相互耦合。不同疲劳模式间存在物理本质的差异性，功率半导体器件疲劳寿命由其中最先失效的疲劳模式决定(主疲劳模式)，其余疲劳模式也能对器件疲劳寿命施加影响，主疲劳模式类型可随着具体应用条件变化而变化。封装疲劳是一个缓慢长期的演变过程，在各种疲劳模式持续作用下，器件电热特性不断逐渐退化，内部电-热-应力环境逐渐恶化，反过来加速各单一疲劳模式的疲劳进程。由此可见，不同疲劳模式之间通过共同作用下改变功率半导体器件电热特性来实现动态耦合。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种能为功率半导体器件长期运行可靠性评估提供有效指导的基于多疲劳模式耦合的功率半导体器件寿命预测方法。

为实现上述目的，本发明所设计的：基于多疲劳模式耦合的功率半导体器件寿命预测方法，包括如下步骤：

1)结合材料疲劳理论和功率半导体器件工作原理，针对功率半导体器件不同疲劳模式建立寿命预测模型；

2)根据功率半导体器件型号，搭建加速寿命试验平台，在不同工况下分别针对功率半导体器件不同疲劳模式开展加速寿命考核，获得功率半导体器件不同疲劳失效模式下的疲劳寿命模型参数数据并带入步骤1)中的寿命预测模型中；

同时，建立功率半导体器件电热耦合模型获取电热循环工况参数；

3)将步骤2)获取的电热循环工况参数，代入步骤2)中寿命预测模型中，计算不同疲劳失效模式对应的疲劳寿命；根据疲劳寿命对电热耦合模型结壳热阻和导通电阻进行退化修正。

进一步地，所述步骤1)中，寿命预测模型包括焊料疲劳寿命模型：