[发明专利]基于复合失效模式耦合的IGBT寿命预测方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于复合失效模式耦合的IGBT寿命预测方法及系统，首先计算键合引线与焊料层的联立失效概率模型；然后计算联立失效概率模型的期望并记作耦合作用下的寿命；建立耦合函数关系式；预测焊料层与键合引线各自的寿命；建立不考虑耦合作用的IGBT寿命预测模型；建立考虑耦合作用的IGBT寿命预测模型。本发明能对焊料层与键合引线耦合作用下的IGBT模块进行更准确的寿命预测。

技术领域

本发明属于IGBT寿命预测技术领域，更具体地，涉及一种基于复合失效模式耦合的IGBT寿命预测方法及系统。

背景技术

绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)作为目前电器领域重要的功率半导体开关，已经广泛运用于包括轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等诸多领域，尤其在清洁能源、柔性直流输电等技术领域有重要运用。由于IGBT是用电压控制的功率开关，在工作时，IGBT往往会承受数百甚至数千伏特的电压。高电压大功率的工作环境，不仅对IGBT模块封装的绝缘性能提出了很高的要求，这种环境往往也导致IGBT在运行过程中产生很大的损耗。这些损耗以热能的形式向外传递，使IGBT芯片的温度升高，降低了IGBT模块的可靠性。

IGBT模块的寿命预测是可靠性研究的重要内容。目前寿命预测模型可以分为两类，分别为经验寿命模型和物理寿命模型。经验寿命模型通过实验得到历史数据，并用数据对含有待定系数的公式进行拟合，最后得到用于寿命预测的经验模型。Bayerer提出的Bayerer模型由于考虑了最大结温、结温波动、升温时间、负载直流电流、键合引线直径以及模块耐压值等因素，所以具有最高的预测精度。但是过多的待定系数无疑增大了拟合的难度，使Bayerer模型很难使用在实际的工程中。物理寿命模型是基于故障物理学而发展起来的模型，流行于90年代。其通常从IGBT模块失效的本质出发，考虑材料在工作过程中的应变与断裂过程。这些寿命模型研究中也存在着共同的不足之处：(1)没有考虑到随机概率分布对寿命的影响；(2)大多数只针对IGBT模块具体一种失效模型进行寿命预测。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于复合失效模式耦合的IGBT寿命预测方法及系统，在寿命预测上具有更高的精度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于复合失效模式耦合的IGBT寿命预测方法，包括：

S1：由焊料层的失效概率分布及键合引线的失效概率分布，计算键合引线与焊料层的联立失效概率模型；

S2：计算联立失效概率模型的期望并记作耦合作用下的寿命；

S3：由焊料层的失效概率分布及键合引线的失效概率分布，计算焊料层与键合引线寿命的差值百分比，以焊料层与键合引线寿命的差值百分比为输入，以耦合前与耦合后的寿命变化率为输出，建立耦合函数关系式；

S4：预测焊料层与键合引线各自的寿命；

S5：建立不考虑耦合作用的IGBT寿命预测模型；

S6：建立考虑耦合作用的IGBT寿命预测模型，由考虑耦合作用的IGBT寿命预测模型进行寿命预测。

在一些可选的实施方案中，步骤S1包括：

S1.1：由表征焊料层的失效概率分布，由表征键合引线的失效概率分布，其中，N为IGBT循环次数，f₁(N)为焊料层的失效密度函数，f₂(N)为键合引线的失效密度函数，m₁为焊料层的失效密度函数的形状参数，m₂为键合引线的失效密度函数的形状参数，η₁为焊料层的失效密度函数的尺寸参数，η₂为键合引线的失效密度函数的尺寸参数；