一种压接型功率器件多物理场仿真建模与评估方法

本技术涉及电子器件多物理场分析，具体涉及一种压接型功率器件多物理场仿真建模与评估方法。

背景技术：

1、压接型功率器件因具有双面散热、无引线键合失效以及短路失效模式可控等特点，已广泛应用于换流阀、柔性直流输电、高可靠性牵引变流器及大功率脉冲供电装备。该类器件在服役过程中同时承受大电流通流、持续或脉冲发热、夹紧载荷、流体冷却以及多材料热膨胀失配等作用，因此其热力学行为并非单一温度场问题，而是受电、热、力、流多场耦合共同影响。

2、围绕该类器件的仿真分析，现有技术及存在的问题主要为：

3、第一类为全尺寸多物理场仿真方案，对器件、导电部件、压紧结构和冷却部件进行完整建模，再通过有限元求解器开展电、热、力乃至流体耦合分析。全尺寸多场耦合模型虽然信息完整，但几何层级复杂、网格规模大、求解成本高，难以支撑多工况、多结构方案的快速迭代。

4、第二类为局部等效建模方案，仅保留芯片或局部封装区域，并将外部夹具、导电路径和冷却结构折算为等效边界。局部等效模型虽然计算速度较快，但通常将接触热阻、接触电阻和夹紧效应简化为固定常数或静态经验值，难以反映局部面压分布、表面粗糙度以及热膨胀错位对界面阻抗的动态影响。

5、第三类为针对单一界面问题的专项分析或测试方案，例如接触热阻测量、微动位移测量以及微动磨损退化仿真。针对单一问题的测试或仿真方案往往只能回答局部问题，尚未形成贯穿简化建模、边界重构、退化更新和结果评价的一体化流程。

技术实现思路

1、本技术针对现有技术存在的全尺寸建模求解成本高、局部等效边界失真大、界面阻抗难以随夹紧和热循环动态更新、寿命评估与结构评估脱节等问题，提供了一种可以保留多物理场之间及主压接界面的主导拓扑关系，避免局部边界失真大的压接型功率器件多物理场仿真建模方法，可以将第一时间尺度下的微动滑移和界面退化纳入长期评估而又不显著增加计算量，降低建模及求解成本，使得获得的多物理场仿真模型在不依赖全寿命逐循环精细仿真的情况下，可以实现对功率循环老化趋势的可计算评估。

2、为实现上述目的，本技术采用的技术方案如下：

3、第一方面，本技术实施例提出一种压接型功率器件多物理场仿真建模方法，多物理场仿真表征基于测试组件对压接型功率器件进行多物理场测试的仿真，进行多物理场测试时，压接型功率器件包括主压接界面，方法包括：基于测试组件构建几何模型；获取主压接界面的初始接触参数；

4、在几何模型中分别构建多物理场边界条件和主压接界面边界条件获得初始仿真模型；

5、基于压接型功率器件、初始接触参数和初始仿真模型进行第一时间尺度的微动滑移等效试验获得退化接触参数和退化参数集；

6、基于压接型功率器件、退化接触参数和初始仿真模型进行第二时间尺度的功率循环试验，并判断退化参数集中的参数是否收敛；第二时间尺度大于第一时间尺度；

7、若退化参数集中的参数收敛，则根据退化接触参数和初始仿真模型获得多物理场仿真模型。

8、在其中一些实施例中，基于测试组件构建几何模型，包括：

9、基于多物理场获取进行多物理场测试的至少一个主物理通路；

10、基于测试组件和每个主物理通路的物理特性守恒性约束构建几何模型。

11、在其中一些实施例中，主物理通路包括主导电通路、主传热通路、主冷却通路以及夹紧载荷传递通路；

12、物理特性守恒性约束包括导电路径等效电阻约束、传热路径等效热阻约束、冷却路径流态相似约束和夹紧路径平均面压约束。

13、在其中一些实施例中，多物理场边界条件包括电流场与焦耳热边界条件、温度场边界条件、层流场边界条件和固体力学场边界条件。

14、在其中一些实施例中，主压接界面边界条件基于微观接触力学构建；

15、主压接界面边界条件包括动态接触热导和动态接触电阻；

16、动态接触热导表征局部面压、综合均方根粗糙度和综合微凸体平均斜率联合向接触热导映射的函数，综合均方根粗糙度基于主压接界面两个相互接触界面的均方根粗糙度获得，综合微凸体平均斜率基于主压接界面两个相互接触界面的平均斜率获得；

17、动态接触电阻表征局部面压和综合微凸体平均斜率联合向接触电阻映射的函数。

18、在其中一些实施例中，基于压接型功率器件、初始接触参数和初始仿真模型进行第一时间尺度的微动滑移等效试验获得退化接触参数和退化参数集，包括：

19、将初始接触参数作为当前接触参数；

20、基于当前接触参数和初始仿真模型对初始状态的压接型功率器件循环进行第一时间尺度的微动位移等效试验获得中间接触参数和中间退化参数集，初始状态表征未进行退化试验的压接型功率器件的状态；

21、基于测试组件获得初始状态的压接型功率器件的第一芯片最高结温；

22、基于中间接触参数和初始仿真模型获得初始状态的压接型功率器件的第二芯片最高结温；

23、根据第一芯片最高结温和第二芯片最高结温的差值获得芯片结温误差；

24、判断芯片结温误差是否大于误差阈值；

25、当芯片结温误差大于误差阈值时，将中间接触参数作为当前接触参数，并重复执行基于当前接触参数和初始仿真模型对初始状态的压接型功率器件循环进行第一时间尺度的微动位移等效试验获得中间接触参数和中间退化参数集；

26、当芯片结温误差不大于误差阈值时，将中间接触参数作为退化接触参数，以及将中间退化参数集作为退化参数集。

27、在其中一些实施例中，初始接触参数包括初始状态下每组相互接触界面的综合均方根粗糙度和综合微凸体平均斜率；

28、基于当前接触参数和初始仿真模型对初始状态的压接型功率器件循环进行第一时间尺度的微动位移等效试验获得中间接触参数和中间退化参数集，包括：

29、获取界面退化修正公式；

30、基于当前接触参数和初始仿真模型对初始状态的压接型功率器件进行第一时间尺度的微动位移等效试验、并分别获得压接型功率器件内每组相互接触界面的微动磨损功；

31、对当前状态的压接型功率器件进行静态阻抗测试获得更新接触参数，当前状态表征基于当前接触参数和初始仿真模型对初始状态的压接型功率器件进行第一时间尺度的微动位移等效试验后的压接型功率器件的状态；

32、根据当前接触参数、更新接触参数、微动磨损功和界面退化修正公式获得当前退化参数；

33、判断微动位移等效试验是否满足终止条件；

34、当微动位移等效试验不满足试验终止条件时，将更新接触参数作为当前接触参数，将当前状态作为初始状态，将当前退化参数置入中间退化参数集，以及重复执行基于当前接触参数和初始仿真模型对初始状态的压接型功率器件进行第一时间尺度的微动位移等效试验、并分别获得压接型功率器件内每组相互接触界面的微动磨损功；

35、当微动位移等效试验满足试验终止条件时，根据更新接触参数获得中间接触参数，以及将当前退化参数置入中间退化参数集。

36、在其中一些实施例中，基于压接型功率器件、退化接触参数和初始仿真模型进行第二时间尺度的功率循环试验，并判断退化参数集中的参数是否收敛，包括：

37、基于退化接触参数和初始仿真模型对初始状态的压接型功率器件进行第二时间尺度的功率循环试验、并获得预设循环次数下的最高结温漂移量集；

38、根据最高结温漂移量集判断退化参数集中的参数是否收敛。

39、在其中一些实施例中，若退化参数集中的参数不收敛，则以及将退化接触参数作为初始接触参数，并重复执行基于压接型功率器件、初始接触参数和初始仿真模型进行第一时间尺度的微动滑移等效试验获得退化接触参数和退化参数集。

40、第二方面，本技术实施例提出一种压接型功率器件评估方法，采用多物理场仿真模型进行，多物理场仿真模型采用压接型功率器件多物理场仿真建模方法构建。

41、相对于现有技术，本技术具有以下有益效果：

42、本技术提出的压接型功率器件多物理场仿真建模方法，在几何模型的基础上构建多物理场边界条件和主压接界面边界条件获得初始仿真模型，可以保留多物理场之间及主压接界面的主导拓扑关系，避免局部边界失真大，在第一时间尺度的微动滑移等效试验的基础上进行第二时间尺度的功率循环试验，可以将第一时间尺度下的微动滑移和界面退化纳入长期评估而又不显著增加计算量，降低建模及求解成本，使得获得的多物理场仿真模型在不依赖全寿命逐循环精细仿真的情况下，可以实现对功率循环老化趋势的可计算评估。