一种基于失效物理的IGBT模块可靠性分析方法与流程

技术特征：
1.一种基于失效物理的igbt模块可靠性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，根据igbt模块的实际尺寸建立igbt模块的有限元模型；步骤二，确定igbt模块所处的环境剖面，所述环境剖面包括温度剖面及随机振动剖面；步骤三，通过ansys icepak对步骤一得到的igbt模块模型进行温度场分析；步骤四，将步骤三中得到的温度场结果导入ansys workbench static structure中进行热-结构耦合分析，得到igbt模块各位置的应力应变结果；步骤五，将步骤四中得到的应力应变结果代入相应的热失效物理模型中，得到该温度剖面下的疲劳损伤；步骤六，将温度循环离散为温度点，通过ansys软件对不同温度点下的igbt模块进行振动应力仿真；步骤七，将步骤六中得到的振动应力仿真结果代入相应的振动失效物理模型中，得到该温度点下的随机振动疲劳损伤，然后利用渐进损伤叠加方法得到该随机振动剖面下的疲劳损伤；步骤八，采用miner线性损伤累计方法得到总的疲劳累计损伤值，完成对igbt模块的可靠性分析。2.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的igbt模块可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤一还包括：在spaceclaim中对igbt模块模型进行简化，简化后的igbt模块模型包括键合线、芯片、芯片焊料层、dbc层、基板焊料层及基板，所述dbc层由上下铜层及中间的陶瓷层组成。3.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的igbt模块可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤二包括：根据igbt模块所处的实际工况，并综合考虑igbt模块的散热和环境，做出对应的温度剖面，根据igbt模块实际承受的随机振动情况做出对应的振动剖面；所述温度剖面包括起始温度、参考温度、最高温度、最低温度，以及温度上升、下降和停留在最高和最低温度的持续时间；所述振动剖面包括加速度功率谱密度。4.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的igbt模块可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤三在icepak中导入所述步骤一中建立的igbt模块模型，设置模型各部分的材料参数，并根据所述步骤二中得到的温度剖面设置相应的温度循环载荷，利用icepak中软件中的温度边界设置命令，设置igbt模块与空气的对流换热系数，求解出温度循环下igbt模块的温度分布。5.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的igbt模块可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤四具体为：在ansys workbench中将icepak与static structure耦合，将所述步骤三中得到的温度场结果导入static structure中进行热-结构耦合分析，得到igbt模块各位置的应力应变结果。6.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的igbt模块可靠性分析方法，其特征在于，步骤五中将步骤四中得到的应力应变结果代入相应的热失效物理模型中，得到该温度剖面下的寿命损伤，所述热失效物理模型的数学表达式如下：
其中，平均应力σ
m
＝(σ
min
σ
max
)/2，σ
min
和σ
max
分别为截取的某段循环过程中三个主应力的最大值和最小值；δε为应变范围；δε
e
为弹性应变范围；δε
p
为塑性应变范围；n
f
为温度循环周期数；e为弹性模量；c为疲劳延性指数，-0.6；b为疲劳强度指数，-0.12；σ
′
f
为疲劳强度系数，σ'
f
＝3.5σ
f
；ε'
f
为疲劳延性系数，ε'
f
＝ε
f0.6
；σ
f
为断裂强度，σ
f
＝σb(1 ψ)；ε
f
为断裂延性，ε
f
＝-ln(1-ψ)；σ
b
为抗拉强度；ψ为断面收缩率；将疲劳常数代入后，即可得相应的通用表达式：式中的应变范围δε与平均应力σ
m
由步骤四得出；抗拉强度σ
b
和断面收缩率ψ通过查阅材料数据手册得到，即可算出温度循环周期数n
th
＝n
f
，温度循环引起的疲劳损伤值d
th
可由下式得到：其中n
th
为实际热循环周次，即在icepak中设置的温度循环周期数。7.根据权利要求1所述的基于失效物理的igbt模块可靠性分析方法，其特征在于，施加温度循环载荷以及随机振动载荷，通过热-结构-振动耦合计算igbt模块的应力应变分布。8.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的igbt模块可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤六具体为：将温度循环离散为温度点，包括最高温度，最低温度，温度上升过程以及温度下降过程，通过ansys软件对不同温度点下的igbt模块进行预应力模态分析，即将步骤四中的结果导入至ansys modal进行模态分析，完成模态分析后再将其结果导入ansys random vibration中进行随机振动分析，得到该温度点随机振动载荷下的振动应力应变仿真结果。9.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的igbt模块可靠性分析方法，其特征在于，步骤七中将步骤六中得到的某一温度点随机振动载荷下的振动应力应变仿真结果代入相应的振动失效物理模型中，得到该随机振动剖面下的疲劳损伤，对于时间小于t小时的随机振动，其造成的疲劳损伤d可由如下数学公式表达：振动，其造成的疲劳损伤d可由如下数学公式表达：振动，其造成的疲劳损伤d可由如下数学公式表达：振动，其造成的疲劳损伤d可由如下数学公式表达：其中为单位时间内以正斜率通过零轴的平均次数，简称正零通过次数，
其中p为输入的加速度功率谱密度，f
n
为共振频率，ω＝2πf
n
，q为共振频率处的传递率；利用渐进损伤叠加方法得到随机振动引起的疲劳损伤，随机振动引起的总的累计损伤值d
v
为：其中，n
i
为随机振动应变循环次数；n
f
为温度循环周期数；n
i
为应变疲劳寿命；t
j
为离散的温度点；t
j
为对应温度与总时间的比值。10.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的igbt模块可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤八具体为：采用miner线性损伤累计方法得到总的疲劳累计损伤值，假设温度循环和随机振动载荷的焊点失效的位置和激励都相同，并且在整个过程中的累计损伤因子是一样的，基于以上假设，利用miner线性损伤累计方法计算总累计损伤因子d
total
：d
th
为温度循环引起的疲劳损伤值；d
v
为随机振动引起的总的累计损伤值；将振动疲劳循环次数用热疲劳循环次数表示，最后得到igbt模块的等效疲劳循环周期数n'
f
：其中，f
v
为结构振动频率；f
th
为热循环频率，完成对igbt模块的可靠性分析。

技术总结
本发明公开一种基于失效物理的IGBT模块可靠性分析方法，包括：根据IGBT模块的实际尺寸建立有限元模型，并在Spaceclaim中对IGBT模块模型进行合理简化；根据IGBT模块所处的环境剖面，在Icepak中进行相应的温度循环载荷设置，完成温度场分析；进行热-结构耦合分析，得到IGBT模块各位置的应力应变结果，建立相应的热失效物理模型，得到该温度剖面下的疲劳损伤；将温度循环离散为温度点，对不同温度点下的IGBT模块进行振动应力仿真，建立相应的振动失效物理模型，得到该温度点下的随机振动疲劳损伤；采用Miner线性损伤累计方法得到总的疲劳累计损伤值，完成对IGBT模块的可靠性分析。本发明借助仿真软件完成，无需破坏相应的IGBT模块，克服了传统的试验法时间长、花费大的弊端。端。端。


技术研发人员：袁宇波 葛雪峰 史明明 费骏韬 刘瑞煌 缪惠宇 张宸宇
受保护的技术使用者：国网江苏省电力有限公司 江苏省电力试验研究院有限公司
技术研发日：2021.12.30
技术公布日：2022/4/8