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与流程

1.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：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.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。
5.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：
6.1)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；
7.2)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；
8.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；
9.3)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。
10.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：
11.n
f_solder
＝a
f_solder
·
(δtj)^(α
f_solder
)
·
exp(-(e
f_solder
)/t
jm
)
·
(t
on
)^(β
f_solder
)
ꢀꢀ
(5)
12.n
i_solder
＝a
i_solder
·
(δtj)^(α
i_solder
)
·
exp(-(e
i_solder
)/t
jm
)
·
(t
on
)^(β
i_solder
)
ꢀꢀ
(5a)
13.n
p_solder
＝n
f_solder-n
i_solder
ꢀꢀꢀ
(5b)
14.式中，n
i_solder
、n
p_solder
和n
f_solder
分别为焊料疲劳萌生寿命、焊料疲劳扩展寿命和焊料总疲劳寿命，δtj、t
jm
和t
on
分别为结温波动幅值、平均结温和加载时间，a
f_solder
、α
f_solder
、e
f_solder
和β
f_solder
均为焊料总疲劳寿命模型参数，a
i_solder
、α
i_solder
、e
i_solder
和β
i_solder
均为焊料疲劳萌生寿命模型参数；
15.键丝疲劳寿命模型：
16.n
f_wire
＝a
f_wire
·
{a
·ic2
/[1 d
·
exp(-t
on
)] b
·
δtj}^(α
f_wire
)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0017]ni_wire
＝a
i_wire
·
{a
·ic2
/[1 d
·
exp(-t
on
)] b
·
δtj}^(α
i_wire
)
ꢀꢀꢀ
(6a)
[0018]np_wire
＝n
f_wire-n
i_wire
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(6b)
[0019]
式中，n
f_wire
、n
i_wire
和n
p_wire
分别为键丝总疲劳寿命、键丝疲劳萌生寿命和疲劳扩展寿命，i
c2
/[1 d
·
exp(-t
on
)]为键丝电阻热，d为键丝电阻热的时间相关系数，a为键丝电阻热权重系数、b为结温权重系数，a
f_wire
和α
f_wire
均为键丝疲劳总寿命模型参数，a
i_wire
和α
i_wire
均为键丝疲劳萌生寿命模型参数，ic为导通电流，δtj和t
on
分别为igbt结温波动幅值和加载时间。
[0020]
进一步地，所述步骤2)中，获得功率半导体器件不同疲劳失效模式下的寿命预测模型参数数据包括焊料总疲劳寿命模型参数、焊料疲劳萌生寿命模型参数、键丝疲劳总寿命模型参数和键丝疲劳萌生寿命模型参数。
[0021]
进一步地，所述步骤2)中，建立功率半导体器件电热耦合模型根据初始器件结壳热阻r
thjc_0
、导通电阻r
on_0
获取电热循环工况参数，电热循环工况参数包括结温波动幅值δtj、最高结温t
jm
、加载时间t
on
和导通电流ic。
[0022]
进一步地，所述步骤3)具体过程为：
[0023]
在热循环间隔δnk即设为第k迭代步内，功率半导体器件结壳热阻和导通电阻参数保持不变，将电热循环工况参数代入式(5)和式(6)中分别计算第k迭代步焊料疲劳萌生寿命n
i_solder_k
、焊料总疲劳寿命n
f_solder_k
、键丝疲劳萌生寿命n
i_wire_k
和键丝总疲劳寿命n
f_wire_k
；根据材料疲劳理论，计算第k迭代步的焊料疲劳萌生损伤增量δd
i_solder_k
、焊料疲劳扩展损伤增量δd
p_solder_k
、键丝疲劳萌生损伤增量δd
i_wolder_k
和键丝疲劳扩展损伤增量δd
p_wolder_k
：
[0024]
δd
i_solder_k
＝(δnk)/n
i_solder_k
ꢀꢀ
(7a)
[0025]
δd
p_solder_k
＝(δnk)/(n
f_solder_k-n
i_solder_k
)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(7b)
[0026]
δd
i_wolder_k
＝(δnk)/n
i_wire_k
ꢀꢀꢀꢀ
(7c)
[0027]
δd
p_wolder_k
＝(δnk)/(n
f_wire_k-n
i_wire_k
)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(7d)
[0028]
基于miner疲劳损伤累加法则，第k迭代步后累积的疲劳损伤分别为：
[0029]di_solder_k
＝d
i_solder_(k-1)
δd
i_solder_k
ꢀꢀꢀꢀ
(8a)
[0030]di_wire_k
＝d
i_wire_(k-1)
δd
i_wire_k
ꢀꢀꢀꢀ
(8c)
[0031]dp_solder_k
＝d
p_solder_(k-1)
δd
p_solder_k
ꢀꢀꢀꢀ
(8b)
[0032]dp_wire_k
＝d
p_wire_(k-1)
δd
p_wire_k
ꢀꢀꢀ
(8d)
[0033]
其中，d
i_solder_k
为第k迭代步后累积焊料疲劳萌生损伤、d
p_solder_k
为第k迭代步后累积焊料疲劳扩展损伤、d
i_wire_k
为第k迭代步后累积键丝疲劳萌生损伤、d
p_wire_k
为第k迭代步后累积键丝疲劳扩展损伤；d
i_solder_(k-1)
为第k-1迭代步后累积焊料疲劳萌生损伤、d
p_solder_k
为第k-1迭代步后累积焊料疲劳扩展损伤、d
i_wire_k
为第k-1迭代步后累积键丝疲劳萌生损伤、d
p_wire_k
为第k-1迭代步后累积键丝疲劳扩展损伤；
[0034]
当累积的疲劳萌生损伤小于1时，处于疲劳萌生阶段；当累积的疲劳萌生损伤等于1时，材料进入疲劳扩展阶段，功率半导体器件结壳热阻和导通电阻退化关系如下：
[0035]rthjc_k
＝r
thjc_0
，d
p_solder_k
＝0(d
i_solder_k
《1)
[0036]rthjc_k
＝(1 μ
solderdp_solder_k
)
×rthjc_0
(d
i_solder_k
＝1)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(9a)
[0037]
和
[0038]dp_wire_k
＝0，r
on_k
＝r
on_0
(d
i_wire_k
《1)
[0039]ron_k
＝(1 μ
wiredp_wire_k
)
×ron_0
(d
i_wire_k
＝1)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(9b)
[0040]
其中，r
thjc_k
为功率半导体器件在第k迭代步后退化修正的结壳热阻、r
on_k
为功率半导体器件在第k迭代步后退化修正的导通电阻参数，μ
solder
为给定的结壳热阻退化修正系数、μ
wire
为给定的导通电阻退化修正系数，r
thjc_0
为初始结壳热阻，r
on_0
为初始导通电阻；
[0041]
将第k迭代步后退化修正后的r
thjc_k
和r
on_k
分别反馈回步骤2)中功率半导体器件的电热耦合模型中，重复步骤2)和步骤3)，当功率半导体器件中任一一种疲劳模式对应的总疲劳扩展损伤达到1时，结束迭代循环；输出存储每一迭代步后功率半导体器件经历的总循环周次nk(已经历的前k迭代步的迭代间隔加和)以及结壳热阻r
thjc_k
和导通电阻参数r
on_k
，输出表征功率半导体器件电热特性动态退化的r
thjc_k-nk和r
on_k-nk曲线；其中，总疲劳扩展损伤最先达到1的失效模式即为导致功率半导体器件失效的主要模式，功率半导体器件最终疲劳寿命nf为器件失效后所有迭代步的迭代间隔加和。
[0042]
本发明的技术效果如下：本发明基于多疲劳模式耦合的功率半导体器件寿命预测方法可以对特定条件下长期服役过程中的功率半导体器件疲劳寿命进行预测，通过功率半导体器件电热耦合模拟-疲劳损伤计算迭代循环，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，从而为功率半导体器件长期运行可靠性评估提供有效指导。
附图说明
[0043]
图1为功率循环考核过程中igbt器件热阻/导通电阻随循环周次退化仿真与实验数据对比；
[0044]
图2为不同工况循环考核工况下igbt模块焊接和键丝总疲劳寿命数据：
○‑
焊料疲劳总寿命，
□‑
键丝疲劳总寿命；
[0045]
图3为igbt模块功率循环测试电路仿真模型；
[0046]
图4、图5为功率循环测试电路中某特定条件下igbt器件电热耦合仿真获取的循环参数：导通电流-65a，导通时间-1.00s，关断时间-2.00s；
[0047]
图6为不同工况条件下基于电热耦合模拟-疲劳损伤计算循环迭代的考虑焊料和键丝疲劳耦合igbt模块寿命预测仿真结果。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图和具体实施方式作进一步说明。
[0049]
焊料层疲劳和键丝疲劳是功率半导体器件最主要的封装失效模式，焊料层作为功率半导体模块内部重要的封装结构，承担电流传导、散热以及机械固定支持等作用，对器件实现完整电气功能必不可少。在功率半导体器件长期服役过程中扰动热应力作用使得焊料合金发生粘塑性变形，材料内部不断累积形变能，焊料内微观缺陷聚集形成疲劳裂纹并持续扩展，裂纹破坏焊料层结构完整性，焊料电热传导能力下降，导致器件内部温度不断升高，而结温升高又进一步增加器件损耗，导致器件内部电热应力增加，加速焊料层疲劳进程，形成了自加速失效循环。金属丝通过超声键合方法连接芯片上表面和dbc铜层/功率端子，是参与功率半导体电能传导必不可少的封装结构。金属丝与芯片上表面金属层直接键合，功率半导体器件开关导通时芯片温度变化在键合界面产生循环波动热应力，微观裂纹沿键合界面萌生扩展，降低了界面导电能力，功率半导体器件导通电阻增加，芯片损耗增大，进而提升器件结温及其波动幅值，反过来加剧键合界面裂纹萌生扩展，最终可导致键丝从芯片表面剥离，造成器件开路失效。
[0050]
本发明所建立的基于电热耦合模拟-疲劳损伤计算循环迭代的基于多疲劳模式耦合功率半导体器件寿命预测方法。下面将以绝缘栅双极型晶体管(igbt)模块功率循环工况下焊料和键丝疲劳失效为例对所述方法进行详细说明。
[0051]
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分别建立疲劳寿命模型
[0052]
igbt焊料层疲劳和键丝疲劳是器件内部温度波动导致的扰动热应力作用下特定材料结构萌生微观裂纹并持续扩展，热应力导致的材料粘塑性变形，在材料内部累积粘塑性应变能，应变能积累到一定程度后，材料原子键断裂形成晶体结构缺陷，进一步汇聚成微观裂纹，由此可见材料粘塑性应变能是驱动功率半导体器件封装结构疲劳的根本动力。根据材料疲劳理论，材料疲劳寿命与粘塑性应变能具有以下关系：
[0053]
nf＝ni n
p
＝k1(δw
pl
)^(k2) k3(δw
pl
)^(k4)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0054]
ni＝k1(δw
pl
)^(k2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1a)
[0055]np
＝k3(δw
pl
)^(k4)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1b)
[0056]
式中，nf、ni和n
p
分别为总疲劳寿命、疲劳萌生寿命和疲劳扩展寿命，^表示指数运算符号，δw
pl
为每循环周次材料粘塑性应变能密度增量，k1～k4为材料参数。
[0057]
根据塑性力学理论，材料粘塑性应变能由以下公式定义：
[0058]wpl
＝∫σ
·
dε
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0059]
式中，ε
p
为粘塑性应变、σ为应力、∫表示积分运算符号，d表示微分运算符号。
[0060]
热应力作用下材料应变ε包含弹性应变ε
elastic
、塑性应变ε
plastic
和蠕变应变ε
creep
，分离型本构模型描述材料应力-应变关系如下：
[0061]
ε＝ε
elastic
ε
plastic
ε
creep
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0062]
ε
elastic
＝σ/e
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3a)
[0063]
ε
plastic
＝(σ/c
plastic
)^(1/n1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3b)
[0064][0065]
e为弹性模量，c
plastic
为延性系数，n1为延性指数，a、α、n2和q均为蠕变本构模型参数，r为普适气体常数，t0为蠕变起始时间，t为应力加载时间，t为温度。其中，弹性应变属于可恢复部分，对材料粘塑性应变能无影响，塑性应变和蠕变应变为材料粘塑性变形部分。由此可见，材料粘塑性应变主要受应力、温度及加载时间三者影响，而根据热应力理论，材料热应力与温度波动线性相关：
[0066]
σ＝α
t
·
δt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0067]
其中α
t
为热膨胀系数，δt为温度波动幅值，基于式(1)～式(4)并在小应变假设条件下将疲劳寿命模型进一步简化为：
[0068]
nf＝af(δt)^(af·
)exp(-e/t)
·
(t)^β
[0069]
其中，af、e、αf和β均为待确定的模型参数。
[0070]
依据igbt器件工作原理，焊料疲劳主要受结温波动影响，因此焊料疲劳寿命模型如下式所示：
[0071]nf_solder
＝a
f_solder
·
(δtj)^(α
f_solder
)
·
exp(-(e
f_solder
)/t
jm
)
·
(t
on
)^(β
f_solder
)
ꢀꢀ
(5)
[0072]ni_solder
＝a
i_solder
·
(δtj)^(α
i_solder
)
·
exp(-(e
i_solder
)/t
jm
)
·
(t
on
)^(β
i_solder
)
ꢀꢀ
(5a)
[0073]np_solder
＝n
f_solder-n
i_solder
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(5b)
[0074]
式中n
i_solder
、n
p_solder
和n
f_solder
分别为焊料疲劳萌生寿命、焊料疲劳扩展寿命和焊料总疲劳寿命，δtj、t
jm
和t
on
分别为结温波动幅值、平均结温和加载时间，a
f_solder
、α
f_solder
、e
f_solder
和β
f_solder
均为焊料总疲劳寿命模型参数，a
i_solder
、α
i_solder
、e
i_solder
和β
i_solder
均为焊料疲劳萌生寿命模型参数；
[0075]
依据igbt器件工作原理，键丝疲劳主要受键合焊盘温度波动影响，而键合焊盘温度波动由结温波动和键丝电阻热造成，另外由于键丝组成材料al金属熔点高、强度高，在igbt正常工作温度范围内蠕变应变可以忽略不计，因此键丝疲劳寿命模型如下式所示：
[0076]nf_wire
＝a
f_wire
·
{a
·ic2
/[1 d
·
exp(-t
on
)] b
·
δtj}^(α
f_wire
)
ꢀꢀꢀ
(6)
[0077]ni_wire
＝a
i_wire
·
{a
·ic2
/[1 d
·
exp(-t
on
)] b
·
δtj}^(α
i_wire
)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(6a)
[0078]np_wire
＝n
f_wire-n
i_wire
ꢀꢀꢀꢀ
(6b)
[0079]
式中，n
f_wire
、n
i_wire
和n
p_wire
分别为键丝总疲劳寿命、键丝疲劳萌生寿命和疲劳扩展寿命，i
c2
/[1 d
·
exp(-t
on
)]为键丝电阻热，d为键丝电阻热的时间相关系数，a为键丝电阻热权重系数、b为结温权重系数，a
f_wire
和α
f_wire
均为键丝疲劳总寿命模型参数，a
i_wire
和α
i_wire
均为键丝疲劳萌生寿命模型参数，ic为导通电流，δtj和t
on
分别为igbt结温波动幅值和加载时间。
[0080]
2.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寿命预测模型参数数据
[0081]
确定功率半导体器件规格型号，以绝缘栅双极型晶体管igbt为例，采用功率循环考核平台，设置栅射极电压为 10v，采用功率循环考核平台以恒结温波动方式控制igbt在不同结温波动、平均温度及开通时间条件下进行焊料疲劳考核，监测提取焊料疲劳过程中
igbt模块结壳热阻r
thjc
和导通电阻r
on
随功率循环周次退化数据。设置栅射极电压为 20v，以同样的方法对igbt键丝疲劳进行考核，监测提取焊料疲劳过程中igbt模块结壳热阻r
thjc
和导通电阻r
on
随功率循环周次退化数据。功率循环过程中igbt模块热阻/导通电阻退化数据按照疲劳萌生(热阻/导通电阻未明显增长)与疲劳扩展(热阻/导通电阻显著上升)进行分段，设置结壳热阻上升20％和导通电阻上升5％分别为igbt模块焊料和键丝疲劳失效阈值，提取不同工况和疲劳失效模式下igbt模块疲劳萌生寿命n
i_solder
/n
i_wire
和总疲劳寿命数据n
f_solder
/n
f_wire
，如图1所示。结合循环工况和igbt模块焊料和键丝疲劳寿命数据，采用数据拟合的方法分别提取焊料总疲劳寿命模型参数、焊料疲劳萌生寿命模型参数、键丝疲劳总寿命模型参数和键丝疲劳萌生寿命模型参数，如图2、式(5’)和式(6’)所示。
[0082]nf_solder
＝1.853
×
10
13
·
(δtj)-4.3552
·
exp(-1378/t
jm
)
·
(t
on
)
0.2526
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(5’)
[0083]ni_solder
＝5.2
×
10
12
·
(δtj)-4.3552
·
exp(-1378/t
jm
)
·
(t
on
)
0.2526
ꢀꢀꢀꢀ
(5a’)
[0084]nf_wire
＝1.142
×
10
13
{0.01i
c2
/[1 0.291
·
exp(-t
on
)] 0.57
·
δt
j-20}-4.2114
ꢀꢀ
(6’)
[0085]ni_wire
＝8.3
×
10
12
{0.01i
c2
/[1 0.291
·
exp(-t
on
)] 0.57
·
δt
j-20}-4.2114
ꢀꢀ
(6a’)
[0086]
3.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
[0087]
明确功率半导体器件运行的电路拓扑、控制参数及负载条件等参数，基于matlab/simulink、plces等仿真模拟平台搭建功率半导体器件电热耦合仿真电路。在功率半导体器件电热耦合模型中设置可变热阻和导通电阻电路元件，首先输入初始器件结壳热阻r
thjc_0
、导通电阻r
on_0
，在给定条件下仿真提取功率半导体器件结温波动幅值δtj、最高结温t
jm
、加载时间t
on
和导通电流ic电热循环工况参数。
[0088]
以igbt模块键丝和焊料疲劳为例，在matlab/simulink平台中基于igbt数据手册给定的v-i、e
on
和e
off
数据建立igbt模块查表法损耗计算模块，搭建igbt模块功率循环测试仿真电路，在igbt损耗计算和热网络模块中设置导通电阻与结壳热阻为可变电路参数，如图3所示。设置导通电流ic为65a，导通时间为1s，关断时间为2s，输入初始结壳热阻为0.192k/w，导通电阻为0.005ω，设置仿真时长为3000s(对应1000次功率循环)，进行igbt模块电热耦合仿真，提取igbt模块结温波动幅值δtj、最高结温t
jm
、导通电流ic及导通时间t
on
电热循环工况参数，如图4、5所示。
[0089]
4.根据疲劳损伤对电热耦合模型结壳热阻和导通电阻进行退化修正
[0090]
假定在热循环间隔δnk(设为第k迭代步)内，功率半导体器件热阻/导通电阻参数保持不变，将电热耦合模型提取的电热循环工况参数代入式(5)和式(6)中分别计算第k迭代步焊料疲劳萌生寿命n
i_solder_k
、焊料总疲劳寿命n
f_solder_k
、键丝疲劳萌生寿命n
i_wire_k
和键丝总疲劳寿命n
f_wire_k
。根据材料疲劳损伤定义，计算第k迭代步的焊料疲劳萌生损伤增量δd
i_solder_k
、焊料疲劳扩展损伤增量δd
p_solder_k
、键丝疲劳萌生损伤增量δd
i_wolder_k
和键丝疲劳扩展损伤增量δd
p_wolder_k
：
[0091]
δd
i_solder_k
＝(δnk)/n
i_solder_k
ꢀꢀꢀꢀ
(7a)
[0092]
δd
p_solder_k
＝(δnk)/(n
f_solder_k-n
i_solder_k
)
ꢀꢀꢀꢀ
(7b)
[0093]
δd
i_wolder_k
＝(δnk)/n
i_wire_k
ꢀꢀꢀꢀ
(7c)
[0094]
δd
p_wolder_k
＝(δnk)/(n
f_wire_k-n
i_wire_k
)
ꢀꢀꢀꢀ
(7d)
[0095]
基于miner疲劳损伤累加法则，第k迭代步后累积的疲劳损伤分别为：
[0096]di_solder_k
＝d
i_solder_(k-1)
δd
i_solder_k
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(8a)
[0097]di_wire_k
＝d
i_wire_(k-1)
δd
i_wire_k
ꢀꢀꢀ
(8c)
[0098]dp_solder_k
＝d
p_solder_(k-1)
δd
p_solder_k
ꢀꢀꢀ
(8b)
[0099]dp_wire_k
＝d
p_wire_(k-1)
δd
p_wire_k
ꢀꢀꢀꢀ
(8d)
[0100]
其中，d
i_solder_k
为第k迭代步后累积焊料疲劳萌生损伤、d
p_solder_k
为第k迭代步后累积焊料疲劳扩展损伤、d
i_wire_k
为第k迭代步后累积键丝疲劳萌生损伤、d
p_wire_k
为第k迭代步后累积键丝疲劳扩展损伤；d
i_solder_(k-1)
为第k-1迭代步后累积焊料疲劳萌生损伤、d
p_solder_k
为第k-1迭代步后累积焊料疲劳扩展损伤、d
i_wire_k
为第k-1迭代步后累积键丝疲劳萌生损伤、d
p_wire_k
为第k-1迭代步后累积键丝疲劳扩展损伤；
[0101]
根据材料疲劳理论，材料疲劳通常分为疲劳萌生与疲劳扩展两个顺序阶段，当累积的疲劳萌生损伤小于1时，处于疲劳萌生阶段；在疲劳萌生阶段材料不断累积应变能，材料内部无微观裂纹形成，疲劳萌生损伤对材料电热传导能力无影响，因此该阶段功率半导体器件热阻/导通电阻参数保持不变；而当累积的疲劳萌生损伤等于1时，材料进入疲劳扩展阶段，此阶段材料内部微观裂纹已经形成，并在热应力作用下持续扩展，因此功率半导体器件热阻和导通电阻参数随疲劳扩展损伤增加而不断退化，具体退化关系如下：
[0102]rthjc_k
＝r
thjc_0
，d
p_solder_k
＝0(d
i_solder_k
《1，疲劳萌生阶段)
[0103]rthjc_k
＝(1 μ
solderdp_solder_k
)
×rthjc_0
(d
i_solder_k
＝1，疲劳扩展阶段)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(9a)
[0104]
和
[0105]dp_wire_k
＝0，r
on_k
＝r
on_0
(d
i_wire_k
《1，疲劳萌生阶段)
[0106]ron_k
＝(1 μ
wiredp_wire_k
)
×ron_0
(d
i_wire_k
＝1，疲劳扩展阶段)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(9b)
[0107]
其中，r
thjc_k
为功率半导体器件在第k迭代步后退化修正的结壳热阻、r
on_k
为功率半导体器件在第k迭代步后退化修正的导通电阻参数，μ
solder
为给定的结壳热阻退化修正系数、μ
wire
为给定的导通电阻退化修正系数，r
thjc_0
为初始结壳热阻，r
on_0
为初始导通电阻；
[0108]
将第k迭代步后退化修正后的r
thjc_k
和r
on_k
分别反馈回步骤2)中功率半导体器件的电热耦合模型中，重复步骤2)～步骤4)，当功率半导体器件中任一一种疲劳模式对应的总疲劳扩展损伤达到1时，结束迭代循环；输出存储每一迭代步后功率半导体器件经历的总循环周次nk(已经历的前k迭代步的迭代间隔加和)以及结壳热阻r
thjc_k
和导通电阻参数r
on_k
，输出表征功率半导体器件电热特性动态退化的r
thjc_k-nk和r
on_k-nk曲线；其中，总疲劳扩展损伤最先达到1的失效模式即为导致功率半导体器件失效的主要模式，功率半导体器件最终疲劳寿命nf为器件失效后所有迭代步的迭代间隔加和。
[0109]
例如将图4、5所示的igbt电热循环工况参数代入式(5’)和式(6’)分别计算该工况下igbt模块焊料和键丝疲劳萌生寿命与总疲劳寿命，以1000次功率循环为一个迭代间隔，依据式(7)和式(8)进行疲劳损伤计算和累加；依据式(9)和该迭代步后igbt模块累积的焊料和键丝疲劳扩展损伤对igbt模块结壳热阻r
thjc
和导通电阻r
on
进行退化修正，将退化修正后的r
thjc_k
和r
on_k
分别反馈回功率半导体器件电热耦合模型。
[0110]
将第k迭代步后退化修正后的r
thjc_k
和r
on_k
分别反馈回步骤3)中功率半导体器件的电热耦合模型中，结壳热阻/导通电阻参数更新后再次进行电热耦合模拟，重复步骤3)和步骤4)，提取器件电热循环工况参数，进行疲劳损伤计算，并对结壳热阻和导通电阻退化修正，形成功率半导体器件电热耦合模拟-疲劳损伤计算迭代循环。
[0111]
每一迭代循环后，保存焊料疲劳扩展损伤d
p_solder
、键丝疲劳扩展损伤d
p_wire
、器件
结壳热阻r
thjc
和导通电阻r
on
，如图6所示。当功率半导体器件其中任何一种失效模式对应的总疲劳扩展损伤达到1时，结束迭代循环。
[0112]
当仿真结束后，输出每一迭代循环后功率半导体器件结壳热阻r
thjc
和导通电阻r
on
，显示功率半导体器件电热参数动态退化过程；依据给定的热阻和导通压降阈值，判定功率半导体器件失疲劳模式以及对应的疲劳寿命。
[0113]
基于matlab编制脚本文件实现自主调用simulink程序进行igbt模块电热耦合仿真、igbt模块循环工况参数提取、igbt模块疲劳损伤累加计算、igbt模块电热参数退化修正及反馈等步骤，进行igbt电热耦合模拟-疲劳损伤计算循环迭代，设置循环迭代终止条件，当满足终止条件是控制程序自主停止，提取保存每一迭代循环后igbt模块结壳热阻和导通电阻；设置结壳热阻上升20％和导通电阻上升5％分别为igbt模块焊料和键丝疲劳失效阈值，若结壳热阻首先达到失效阈值，则判断该条件下为igbt模块焊料疲劳失效，对应的热循环周次即为igbt模块疲劳寿命，若导通电阻首先达到失效阈值，则判断该条件下为igbt模块键丝疲劳失效，对应的热循环周次即为igbt模块疲劳寿命。