本发明属于半导体技术领域，涉及基于空洞率的igbt模块焊料层疲劳老化失效模拟方法。
背景技术：
在igbt模块中，由于器件工作时产生的循环交变热应力导致igbt的焊料层疲劳老化，容易引起igbt模块的失效，导致电能变换装置停运，影响电力系统和工业控制系统的安全性和可靠性。虽然igbt芯片的设计工艺改进和封装优化可以提升igbt模块的可靠性，但是igbt模块的焊料层在使用过程中的疲劳老化是不可避免的。因此，模拟焊料层的疲劳老化失效过程，分析焊料层老化对igbt模块内部的电热应力和可靠性影响，对电能变换装置的设计和运维，提高输电系统和工业控制系统的安全性和可靠性都具有重要的现实意义。
现有针对igbt模块的疲劳失效和可靠性研究大多基于功率循环实验或温度循环实验结果分析，这种方法往往无法定性定量分析焊料层疲劳老化对igbt模块内部的机电热应力和可靠性影响，即忽略了焊料层疲劳老化失效演化过程对igbt模块电热应力和可靠性的影响，从而导致焊料层疲劳老化失效过程对igbt模块的可靠性影响机理不明。本发明基于该背景，针对现有方法无法评估焊料层处于不同疲劳失效阶段对igbt模块可靠影响的问题，提出一种基于空洞率变化的igbt模块焊料层疲劳老化失效模拟方法。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于空洞率的igbt模块焊料层疲劳老化失效模拟方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
基于空洞率的igbt模块焊料层疲劳老化失效模拟方法，该方法包括以下步骤：
1)获取igbt模块各层组件的几何尺寸和各层材料的物理属性参数，编写程序设置空洞模拟焊料层的疲劳老化失效过程，包括设置空洞处于不同位置、不同的空洞形状、空洞分布区域和不同空洞率，并将空洞模拟程序导入solidwork软件建立含空洞的焊料层三维模型；
2)将含有空洞的焊料层三维模型导入comsol软件建立igbt器件的几何模型，对igbt器件的几何模型进行网格剖分；
3)根据实际应用工况等效电压、电流应力施加到所建igbt器件的有限元模型上，基于comsol软件进行机热电多物理场仿真；
4)基于仿真模型提取焊料层不同疲劳老化状态下igbt器件的电热特性及内部电热应力，评估焊料层疲劳老化对igbt器件的可靠性影响。
可选的，所述2)-3)为：将所述solidwork绘制的含空洞的焊料层三维模型导入comsol软件建立igbt器件的几何模型，进行网格剖分，建立有限元模型；并将实际应用工况下的电热应力施加到igbt器件的有限模型中，进行机热电多物理场仿真。
可选的，所述4)为：基于有限元仿真模型，提取焊料层不同老化状态下igbt器件的电气特性参数和内部电热应力，通过提取参数分析igbt器件内部的热应力、机械应力、电流应力的分布规律，计算igbt器件的结壳热阻值rth-jc。
可选的，根据所述有限元模型提取出来的结温最大值tjmax和壳温最大值tcmax，计算结壳热阻值rth-jct并与焊料层完好状态时igbt器件的结壳热阻值rth-jc0进行对比，实时掌握器件的健康状态和评估其可靠性，当δrth-jc/rth-jc0增加20％即判定igbt模块失效；
结壳热阻rth-jct计算方法为：
其中，tjmax为igbt器件在热稳态时刻的结温最大值，tcmax为igbt器件在热稳态时刻的壳温最大值，ploss为igbt器件在热稳态时刻的功耗值；
δrth-jc/rth-jc0的计算方法为：
其中，rth-jct为igbt器件焊料层疲劳老化之后热稳态时刻的结壳热阻值，rth-jct0为igbt器件初始状态热稳态时刻的结壳热阻值。
本发明的有益效果在于：
该疲劳老化失效模拟方法通过充分考虑空洞处于不同焊料层的位置、不同的空洞形状、空洞集中分布区域和空洞率增大对大功率igbt模块的电热应力和可靠性影响，大大提高了igbt模块焊料层疲劳老化失效的模拟精度和可靠性评估的准确性；通过模拟焊料层的疲劳失效过程，有利于进一步分析焊料层老化对igbt器件内部电热应力分布和可靠性的影响，得到空洞位置、空洞形状和空洞集中分布区域及空洞率对igbt器件的电热应力分布影响，形成比较准确的igbt模块焊料层疲劳老化失效的模拟方法，可广泛用于电力系统和工业控制领域中电能变换装置用igbt模块的疲劳老化失效模拟和可靠性评估。该疲劳老化失效模拟方法不仅考虑了空洞形状、空洞位置、空洞分布和空洞率对igbt器件的电热应力和可靠性影响，还考虑了焊料层不同疲劳失效演化状态下对大功率igbt器件的可靠性影响。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为igbt模块的焊料层疲劳老化失效模拟和可靠性评估流程图；
图2为igbt模块的剖面结构示意图；
图3为空洞集中分布于焊料层不同区域的模拟示意图；
图4为焊料层不同疲劳老化失效状态下的模拟示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例1：
图1为igbt模块焊料层疲劳老化失效的模拟方法流程图，图2为igbt模块的剖面结构示意图，图3为空洞集中分布于焊料层不同区域的模拟示意图，图4为焊料层不同疲劳老化失效状态下的模拟示意图。其中：
1.一种igbt模块焊料层疲劳老化失效的模拟方法，其特征在于包括以下步骤：
1)获取igbt模块各层组件的几何尺寸和各层材料的物理属性参数，编写程序设置空洞模拟焊料层的疲劳老化失效过程(设置空洞处于不同位置、不同空洞形状、空洞分布区域和空洞率)，并将空洞模拟程序导入solidwork软件建立含空洞的焊料层三维模型；
2)将含有空洞的焊料层三维模型导入comsol软件建立igbt器件的几何模型，对igbt器件的几何模型进行网格剖分；
3)根据实际应用工况等效电压、电流应力施加到所建igbt器件的有限元模型上，基于comsol软件进行机热电多物理场仿真；
4)基于仿真模型提取焊料层不同疲劳老化状态下igbt器件的电热特性及内部电热应力，评估焊料层疲劳老化对igbt器件的可靠性影响。
所述igbt模块焊料层疲劳老化失效的模拟需要编写对应程序描述空洞的形状、空洞所处的位置、空洞的分布规律和空洞率来表征焊料层的老化失效状态。
程序运行后的空洞模拟示意图如附图3和附图4所示，图3模拟了空洞集中分布于焊料层的不同区域，图4模拟了焊料层空洞在失效早期的演化状态和焊料层失效后期的空洞分布。
所述igbt模块焊料层疲劳老化的模拟方法，将solidwork绘制的含空洞的焊料层三维模型导入comsol软件建立igbt器件的几何模型，进行网格剖分，建立有限元模型；并将实际应用中的电热应力施加到igbt器件的有限元模型中，进行机热电多物理场仿真。
所述igbt模块焊料层疲劳老化的模拟方法，基于有限元仿真模型，提取焊料层不同老化状态下igbt器件的电气特性参数和内部电热应力，通过提取参数分析igbt器件内部的热应力、机械应力、电流应力的分布规律，计算igbt器件的结壳热阻值rth-jc。
所述的一种igbt模块焊料层疲劳老化的模拟方法，根据有限元模型提取出来的结温最大值tjmax和壳温最大值tcmax，计算结壳热值rth-jct并与焊料层完好状态时igbt器件的结壳热阻值rth-jc0进行对比，实时掌握器件的健康状态和评估其可靠性，当δrth-jc/rth-jc0增加20％即可判定igbt模块失效。结壳热阻rth-jct计算方法为：
其中，tjmaxt为igbt器件在热稳态时刻的结温最大值，tcmaxt为igbt器件在热稳态时刻的壳温最大值，ploss为igbt器件在热稳态时刻的功耗值。
δrth-jc/rth-jc0的计算方法为：
其中，rth-jct为igbt器件焊料层疲劳老化之后热稳态时刻的结壳热阻值，rth-jct0为igbt器件初始状态热稳态时刻的结壳热阻值。
由上可见，采用本发明提供的一种igbt模块焊料层疲劳老化的模拟方法，不仅能充分考虑空洞形状、空洞位置、空洞分布和空洞率对igbt器件的电热应力和可靠性影响，大大提高了igbt模块的疲劳老化失效模拟精度；还考虑了焊料层不同疲劳失效演化状态下对大功率igbt器件的电热应力分布和可靠性影响。可广泛用于电力系统和工业控制领域中电能变换装置用igbt模块的焊料层疲劳失效老化模拟和可靠性评估。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
1.基于空洞率的igbt模块焊料层疲劳老化失效模拟方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)获取igbt模块各层组件的几何尺寸和各层材料的物理属性参数，编写程序设置空洞模拟焊料层的疲劳老化失效过程，包括设置空洞处于不同位置、不同的空洞形状、空洞分布区域和不同空洞率，并将空洞模拟程序导入solidwork软件建立含空洞的焊料层三维模型；
2)将含有空洞的焊料层三维模型导入comsol软件建立igbt器件的几何模型，对igbt器件的几何模型进行网格剖分；
3)根据实际应用工况等效电压、电流应力施加到所建igbt器件的有限元模型上，基于comsol软件进行机热电多物理场仿真；
4)基于仿真模型提取焊料层不同疲劳老化状态下igbt器件的电热特性及内部电热应力，评估焊料层疲劳老化对igbt器件的可靠性影响。
2.根据权利要求1所述的基于空洞率的igbt模块焊料层疲劳老化失效模拟方法，其特征在于：所述2)-3)为：将所述solidwork绘制的含空洞的焊料层三维模型导入comsol软件建立igbt器件的几何模型，进行网格剖分，建立有限元模型；并将实际应用工况下的电热应力施加到igbt器件的有限模型中，进行机热电多物理场仿真。
3.根据权利要求1所述的基于空洞率的igbt模块焊料层疲劳老化失效模拟方法，其特征在于：所述4)为：基于有限元仿真模型，提取焊料层不同老化状态下igbt器件的电气特性参数和内部电热应力，通过提取参数分析igbt器件内部的热应力、机械应力、电流应力的分布规律，计算igbt器件的结壳热阻值rth-jc。
4.根据权利要求1所述的基于空洞率的igbt模块焊料层疲劳老化失效模拟方法，其特征在于：根据所述有限元模型提取出来的结温最大值tjmax和壳温最大值tcmax，计算结壳热阻值rth-jct并与焊料层完好状态时igbt器件的结壳热阻值rth-jc0进行对比，实时掌握器件的健康状态和评估其可靠性，当δrth-jc/rth-jc0增加20％即判定igbt模块失效；
结壳热阻rth-jct计算方法为：
其中，tjmax为igbt器件在热稳态时刻的结温最大值，tcmax为igbt器件在热稳态时刻的壳温最大值，ploss为igbt器件在热稳态时刻的功耗值；
δrth-jc/rth-jc0的计算方法为：
其中，rth-jct为igbt器件焊料层疲劳老化之后热稳态时刻的结壳热阻值，rth-jct0为igbt器件初始状态热稳态时刻的结壳热阻值。
技术总结