功率IGBT模块的寿命预测_王彦刚

图1 某IGBT的失效率数据分析
IGBT与封装相关的失效
模块具有多层结构，不同部件具有不同的热膨胀系数，不同板层受热膨胀的大小有偏差，长期在热循环冲击作用下引起其焊接材料和键合线的疲劳老化，最终造成器件失效。

与封装相关失效主要包括键合线疲劳脱落、键合线疲劳受损、焊层疲劳受损引起芯片温度增加和或承受机械应力而失效。

与环境
封装失效有：由于设计或安装不良
（3）机械应力
机械应力引起的IGBT封装失效主要有
率端子对外连接承受过大机械应力，或者安装时操作不规范，导致端子和焊层之间出现裂纹，载流量下降；②散热器过于粗糙，导致IGBT底板变形受损，热阻增大导致芯片结温增加过热损坏，或直接导致芯片机械受损。

（4）环境应力
IGBT功率循环试验，χ表示失效的周期数，
数，表征分布的范围，β是形状参数，表征曲线的基本形状。

由失效机制决定，不同的失效机制β不同。

β越大，试验数据越集中，表明失效更能被某一种失效机制描述。

Weibull
函数是拓展的指数分布函数，β=1是指数分布函数，
（3）参数最低值参数最高值系数
2,03E+14k。

基于壳温的IGBT模块键合引线疲劳寿命预测
赵旭州;朱戈;吴馨
【期刊名称】《高压电器》
【年(卷),期】2017(53)7
【摘要】为了研究功率循环下键合引线的疲劳寿命,提高IGBT模块的可靠性,文中提出了一种基于壳温的键合引线寿命预测方法。

首先对IGBT模块进行功率循环测试,探究了键合引线的疲劳失效机理;然后建立IGBT模块的电—热—结构强耦合模型,分析了模块在功率循环载荷下的电、热、结构特性。

依据键合引线的应变情况和实验测得的疲劳曲线,评估键合引线的疲劳寿命,并在壳温基础上建立了其寿命预测模型,对比测试结果验证了该模型的准确性;最后提出了铜键合引线的改进方案。

根据易测量的壳温来确定键合引线的使用寿命,提前更换器件,能降低IGBT模块的故障率。

【总页数】7页(P167-173)
【关键词】电—热—结构强耦合模型;键合引线;塑性应变;壳温;疲劳寿命
【作者】赵旭州;朱戈;吴馨
【作者单位】三峡大学电气与新能源学院;雅砻江流域水电开发有限公司;国网安徽省电力公司马鞍山供电公司
【正文语种】中文
【中图分类】TN322.8
【相关文献】
1.功率模块引线键合界面温度循环下的寿命预测
2.地铁车辆牵引逆变器IGBT模块的结温与疲劳寿命计算
3.提取IGBT模块内部键合引线的寄生参数
4.基于结温补偿的IGBT模块键合线失效监测方法
5.大功率IGBT模块封装中的超声引线键合技术
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IGBT功率模块封装失效机理及监测方法综述IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）功率模块是一种集成了功率MOSFET和双极晶体管结构的半导体器件，广泛应用于高功率和高频率开关电源和电力电子应用中。

IGBT功率模块的性能和可靠性对电力系统的稳定运行起着至关重要的作用。

然而，由于工作环境的恶劣以及运行的高电流和高温度等因素，IGBT功率模块容易出现封装失效，影响其性能和寿命。

1.焊接疲劳：由于功率模块在工作过程中会不可避免地受到温度循环的作用，焊接接点易受到热应力的影响，导致焊接疲劳和裂纹的产生，从而引起焊点脱落和模块间隙增大。

2.焊接接触不良：焊接接点的不良接触会导致接触电阻升高，并在高功率运行时产生局部过热，导致接触界面松动，增加电阻和损耗。

3.热膨胀不匹配：由于功率模块中不同材料的热膨胀系数不同，工作过程中温度变化引起的热膨胀不匹配会导致模块内部应力的积累，从而损坏封装材料。

4.熔敷金属扩散：在高温环境下，熔敷金属会发生扩散，导致金属间的相互渗透和细化，降低导电和导热性能。

为了监测和评估IGBT功率模块的封装失效，可采用以下方法：1.热循环试验：通过将功率模块置于高温和低温交替的环境中，模拟实际工作条件下的热循环，以评估模块封装对温度变化的适应性和寿命。

2.压力测试：通过施加一定的机械压力，并在高温、高湿环境下测试，检测模块封装是否存在裂纹、脱落等问题，评估其可靠性。

3.红外热像仪：使用红外热像仪可以检测模块工作过程中的温度分布和局部过热现象，及时发现模块的温度异常情况。

4.电流监测：通过在模块输入和输出端接入电流传感器，实时监测电流波形和变化，以判断IGBT功率模块的工作状态和性能。

5.静电放电检测：静电放电是导致功率模块损坏的重要因素之一，可使用相关设备对模块进行静电放电测试，评估其抗静电能力。

综上所述，IGBT功率模块封装失效机理主要包括焊接疲劳、焊接接触不良、热膨胀不匹配和熔敷金属扩散等问题。

IGBT可靠性与寿命评估分析摘要：IGBT是新能源汽车电器控制器中十分重要的一项部件，与电动汽车安全性和可靠性有关。

在本篇文章中主要论述了使用热敏感电参数方式提取IGBT结晶。

通过具体的实验获得实际情况，以此分析和判断该项模块的热疲劳寿命，按照电机控制器总成的实验情况提出了可行性方案。

关键词：IGBT可靠性；寿命评估；研究要点IGBT是能源变换和传输的一项核心器件，被称之为电力电子装置中的CPU。

在新能源汽车中，IGBT决定了驱动系统的交电流转换情况，同时也和车辆最大输出功率有关，是汽车动力总成系统中非常重要的一方面。

由于新能源汽车中对于IGBT功率器件应用极为普遍。

因此该项功率在整个车的成本中占据比例是特别大的。

在电机控制器中，IGBT把动力电池的高压直流电转变为驱动三相电机的交流电，为电机提供充足的动力。

在汽车运行状态下，启停和频繁加减速都会使IGBT模块工具发生改变，IGBT结温也呈现出了循环变化状态，温度变化形成的热应力，使模块内部焊层之间形成热疲劳或者失效。

从中来看，IGBT模块的结晶变化决定了工作的寿命和可靠性体现。

在本篇文章中利用热敏感电参数方式提取IGBT的结温，通过具体的分析评估整车寿命周期内的IGBT模块热疲劳寿命。

1、对于IGBT的论述IGBT主要是指复合类型的结构，本身组成部分为金属氧化物半导体场效应晶体管，本身具备的优势特别高，呈现出了功率小、热稳定性良好、载流密度大的一系列优势。

一般情况下，经过芯片、基板以及散热器进行焊接形成，热特性是IGBT功率器件的重点，芯片工作形成的热量通过不同的介质和界面传递到散热器，把热量全面挥发出来。

该项模块的发热来源渠道为功率损耗，功率损耗包含了IGBD损耗以及wd损耗，同时也表现为开关损耗和导通损耗。

功率损耗和电流饱和压降开关频率等多项因素有着密切的联系性。

2、IGBT的可靠性基本要求第一，针对于车规划级ICBT模块来讲，因为周围使用环境条件极为恶劣，工况特别复杂，寿命要求高，因此对于该项模块性能和可靠性提出了十分严格的要求。

功率模块随机振动响应分析及疲劳寿命预测目录1. 内容描述 (2)1.1 研究背景与意义 (2)1.2 国内外研究现状 (4)1.3 论文结构安排 (5)2. 功率模块随机振动响应分析方法 (6)2.1 随机振动基本理论 (7)2.2 功率模块建模方法 (8)2.3 随机振动响应求解方法 (9)2.4 本章小结 (10)3. 功率模块疲劳寿命预测方法 (11)3.1 疲劳寿命评估指标 (12)3.2 疲劳寿命预测模型 (13)3.3 疲劳寿命评估流程 (14)3.4 本章小结 (15)4. 功率模块随机振动响应与疲劳寿命关联分析 (16)4.1 随机振动响应对疲劳寿命的影响 (18)4.2 疲劳寿命对随机振动响应的敏感性分析 (19)4.3 关联性分析方法 (20)4.4 本章小结 (21)5. 实验验证与结果分析 (22)5.1 实验方案设计 (23)5.2 实验设备与参数设置 (25)5.3 实验结果与分析 (26)5.4 本章小结 (27)6. 结论与展望 (28)6.1 研究成果总结 (29)6.2 研究不足与局限性 (30)6.3 未来研究方向展望 (31)1. 内容描述本文档主要针对功率模块的随机振动响应进行分析，并通过疲劳寿命预测方法评估其可靠性和使用寿命。

我们将对功率模块的结构、工作原理和性能参数进行详细阐述，以便为后续的振动响应分析和疲劳寿命预测提供基础。

我们将采用实验方法收集功率模块在不同工况下的振动数据，包括静态振动、随机振动以及强迫振动等。

通过对这些数据的处理和分析，我们可以揭示功率模块在各种工况下的振动特性，如振幅、频率、周期等。

在此基础上，我们将构建振动响应模型，用于描述功率模块在不同工况下的振动响应规律。

我们将利用疲劳寿命预测方法，结合功率模块的振动响应特性和实际使用环境，对其疲劳寿命进行预测，为用户提供有关功率模块可靠性和使用寿命的重要信息。

1.1 研究背景与意义随着科技的快速发展，电力电子系统在各种领域的应用越来越广泛，如电动汽车、航空航天、工业自动化等。

基于列车运行图的CRH3牵引变流器IGBT模块寿命预测
黄先进;杜田倩;王风川;陈澄;孙湖
【期刊名称】《电工技术学报》
【年(卷),期】2022(37)S01
【摘要】器件的寿命与列车的运行状况有着密切的关系,现有变流器中绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的寿命预测,考虑的工况大多都是额定工况或最大负荷工况。

高速列车牵引变流器工况与工业变流器工况完全不同,需要结合实际运行图来考虑。

如何提取实际运行图关键数据,将变流器中IGBT的特性从整车运行中提取出来是一个关键性问题。

在多运行工况下研究IGBT的寿命才能更加符合实际的寿命情况。

传统的仿真系统是在逆变器侧构建牵引、制动等工况,该文设计更为简便的方法在
整流器侧直接构建牵引、制动等工况的变化,将列车的多运行工况的变化反映到整
流器直流侧的电流变化,进而反映到IGBT的电气特性的变化。

最后,基于京津城际
线路的任务剖面搭建仿真模型得到多运行工况下的IGBT结温变化,并分析IGBT的寿命。

【总页数】9页(P172-180)
【作者】黄先进;杜田倩;王风川;陈澄;孙湖
【作者单位】北京交通大学电气工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM46
【相关文献】
1.基于加速寿命试验的IGBT模块寿命预测和失效分析
2.基于相关向量机的高速列车牵引系统剩余寿命预测
3.基于LSTM网络的牵引变流器IGBT故障预测方法研究
4.基于壳温的IGBT模块键合引线疲劳寿命预测
5.基于运行工况与器件老化的牵引变流器IGBT寿命评估
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第37卷第6期电力科学与工程V ol. 37, No. 6 2021年6月Electric Power Science and Engineering Jun., 2021 doi: 10.3969/j.ISSN.1672-0792.2021.06.003基于电热耦合模型和寿命预测的IGBT可靠性评估帅双旭，熊炜，彭月，艾小清，刘玉洁，朱拉沙（贵州大学电气工程学院，贵州贵阳550025）摘要：针对IGBT可靠性评估中结温与运行工况和工作特性紧密相关的问题，以及考虑寿命预测中受多因素的影响，基于IGBT结构及失效机理，提出基于电热耦合模型和Bayerer寿命预测模型的IGBT可靠性预测流程，并结合贵州大学城市配电网柔性互联关键设备及技术研究示范工程，以MMC和DAB换流器中IGBT模块为研究对象，建立其热网络模型并根据设备实际运行工况计算内部IGBT芯片、FWD功率损耗和瞬时结温；通过雨流算法提取温度循环获得IGBT结温统计特征，从而得到IGBT的寿命预测和可靠性评估相关参数，并与利用功率循环曲线计算的失效率进行对比，结果表明，考虑了工作运行状态并基于电热耦合模型和寿命预测模型获得的失效率更能反映IGBT的实际运行情况。

关键词：IGBT；可靠性评估；寿命预测；电热耦合模型；雨流算法中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1672-0792(2021)06-0017-09IGBT Reliability Evaluation Based on Electro-thermal CouplingModel and Life PredictionSHUAI Shuangxu, XIONG Wei, PENG Yue, AI Xiaoqing, LIU Yujie, ZHU Lasha (The Electrical Engineering College, Guizhou University, Guiyang 550025, China)Abstract:Aiming at solving the problem that junction temperature is closely related to operating conditions and operating characteristics in IGBT reliability evaluation and considering the influence of multiple factors in life prediction, this paper proposes the reliability prediction process of IGBT based on electro-thermal coupling model and Bayerer life prediction model on the basis of IGBT structure and failure mechanism. Combined with Guizhou University’s urban distribution network flexible interconnection key equipment and technology research demonstration project, with IGBT modules in MMC and DAB converters as the research object, the thermal network model is established and according to the actual operating conditions of the equipment, the power loss and instantaneous junction temperature收稿日期：2020-12-07基金项目：贵州省科学技术基金（[2019]1058）作者简介：帅双旭（1996—），女，硕士研究生，研究方向为柔性互联配电网可靠性评估；熊炜（1972—），女，副教授，研究方向为配电网运行与控制及可靠性研究。

IGBT模块的寿命和可靠性研究
摘要：
本文以IGBT模块的寿命和可靠性为研究对象，通过对IGBT模块寿命机制和可靠性影响因素的分析，探究提高IGBT模块寿命和可靠性的方法和途径。

首先介绍了IGBT模块的基本结构和工作原理，接着详细阐述了IGBT模块寿命的常见故障形式和寿命限制因素。

然后，探讨了影响IGBT 模块可靠性的诸多因素，包括过渡过电压、过温、失调和环境应力等。

最后，提出了提高IGBT模块寿命和可靠性的关键技术和策略。

1.引言
1.1研究背景
1.2研究目的
2.IGBT模块的基本结构和工作原理
2.1IGBT的基本结构
2.2IGBT的工作原理
3.IGBT模块寿命的故障形式和限制因素
3.1热失效
3.2电压应力失效
3.3氧化层失效
3.4渗透失效
3.5寿命限制因素的分析
4.影响IGBT模块可靠性的因素
4.1过渡过电压的影响
4.2过温的影响
4.3IGBT失调的影响
4.4环境应力的影响
5.提高IGBT模块寿命和可靠性的关键技术和策略
5.1散热技术的改进
5.2逆变器系统的保护措施
5.3优化设计和制造工艺
5.4可靠性试验和故障分析
6.结论
整体结构可以根据需要进行调整和扩充，以满足更多细节和要求。

此外，为了增加文档的完整性，还可以添加实验结果、案例分析和专家访谈等内容。

散热底板对IGBT模块功率循环老化寿命的影响
常桂钦;罗海辉;方超;陈杰;黄永章
【期刊名称】《电工技术学报》
【年(卷),期】2024(39)8
【摘要】功率半导体模块通常采用减小结壳热阻的方式来降低工作结温,集成Pin-Fin基板代替平板基板是一种有效的选择。

两种封装结构的热阻抗特性不同,可能对其失效机理及应用寿命产生影响。

针对平板基板和集成Pin-Fin基板两种常见车规级IGBT模块进行了相同热力测试条件(结温差100 K,最高结温150℃)下的功率循环试验,结果表明,散热更强的Pin-Fin模块功率循环寿命低于平板模块。

失效分析显示,两者失效模式均为键合线脱附,但Pin-Fin模块的键合失效点集中在芯片中心区域,而平板模块的键合失效点则较为分散。

基于电-热-力耦合分析方法,建立功率循环试验的有限元仿真模型,结果表明,Pin-Fin模块的芯片温变梯度更大,芯片中心区域键合点温度更高,使芯片中心区域的键合点塑性变形更大,导致其寿命较平板模块更短,与试验结果吻合。

【总页数】11页(P2485-2495)
【作者】常桂钦;罗海辉;方超;陈杰;黄永章
【作者单位】新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学);株洲中车时代半导体有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TM46
【相关文献】
1.新型不带铜底板IGBT功率模块的散热设计
2.IGBT模块功率循环疲劳寿命预测
3.汽车级IGBT模块功率循环及温度循环寿命对比与分析
4.基于功率循环的动车组高级修IGBT模块剩余寿命研究
5.车规级IGBT功率模块散热基板技术
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