基于瞬態(tài)熱阻的IGBT模塊壽命評估方法研究.pdf

1、大功率變流裝置在電能轉換、傳輸、管理等方面具有明顯優(yōu)勢，可提供高質(zhì)量、高效率的電能，因而得到了廣泛運用。作為變流器的關鍵單元，絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）的高可靠性是系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的重要保證，由于工作環(huán)境的隨機性、惡劣性以及IGBT模塊的多層結構特點，其焊料層極易萌生裂紋、脫落導致模塊失效，嚴重威脅系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。有效的焊料層失效評估方法、準確的壽命預測模型有助

2、于準確評估模塊的健康狀態(tài)，是提高系統(tǒng)可靠性的重要手段。
　　現(xiàn)有的焊料層失效監(jiān)測、評估方案難以量化分析芯片焊料層、DBC焊料層對模塊整體失效的貢獻；壽命預測時一般忽略了疲勞累積效應，導致高估模塊壽命。本文以IGBT模塊的多物理場耦合模型為基礎，研究了不同健康狀態(tài)下模塊的瞬態(tài)熱響應過程，提出了基于瞬態(tài)熱阻的IGBT模塊焊料層失效定位、量化評估方法；在此基礎上，提出了考慮焊料層失效位置的熱網(wǎng)絡更新策略，建立了計入疲勞累積效應的壽命評估

3、方法。并通過試驗驗證了所提方法的有效性和準確性。本文的主要研究內(nèi)容包括：
　?、俳⒘薎GBT模塊的電-熱-力多場耦合模型，該模型考慮了損耗與溫度的關系以及焊層材料的粘塑性行為。利用該模型分析了焊料層的失效機理以及不同焊料層失效時模塊的熱、力特性，發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)熱阻包含了更多的失效信息。
　　②根據(jù)IGBT模塊焊料層在不同健康狀態(tài)時的熱響應特征，提出利用瞬態(tài)熱阻評估焊料層失效位置和程度的方法。仿真分析了IGBT模塊焊料層失效程度、

4、位置不同時瞬態(tài)熱阻的變化規(guī)律，并搭建了瞬態(tài)熱阻測量試驗平臺，分析了不同工況和失效狀態(tài)下瞬態(tài)熱阻曲線的差異。從仿真和試驗角度驗證了所提方法的可行性和有效性。結果表明依據(jù)瞬態(tài)熱阻曲線的分離點可有效判定焊料層的失效部位，適當分階Cauer熱網(wǎng)絡模型可實現(xiàn)各焊料層失效程度的量化評估。
　?、坩槍勖A測模型多忽略熱阻增大對熱參數(shù)影響而導致高估器件壽命的問題，提出了基于Cauer熱模型的熱網(wǎng)絡更新策略和考慮疲勞累積效應的模塊壽命預測模型。在