复杂工况下汽车级IGBT模块失效机理与寿命评估方法研究

High power automotive IGBT modules for new energy vehicle applications are operated under severe working conditions and in harsh environments. Therefore, the reliability and lifetime prediction of such devices is of great importance. Failure mechanisms of automotive IGBT modules under working conditions are investigated in this project by experimental, theoretical and numerical methods, and a virtual simulation analysis method for power cycling test of the automotive IGBT modules is proposed. In the project, a comprehensive test experimental platform is establish to simulate vehicle acceleration, deceleration, cruise and other different loading states, and to consider the environmental conditions, such as temperature, vibration, etc. Failure analysis of automotive IGBT modules is carried out, and the failure criterions are proposed. Based on the experimental observations, a qualitative model including micro- and macro-mechanisms responsible for electrothermal ageing of the bond wire, Al metallization and solder layer is proposed. A virtual simulation analysis method for the power cycling test is proposed to enable a more realistic lifetime prediction of the automotive IGBT modules. Objectives of this project are to provide engineers on automotive IGBT module technology with a clear picture of the micro- and macro-mechanical behaviors of the IGBT module, to provide models and tools for thermo-mechanical reliability design of automotive IGBT module based devices.

通过实验、理论分析和数值模拟，研究汽车级IGBT模块在主要服役条件下的失效机理，建立一套汽车级IGBT模块功率循环实验虚拟仿真分析方法。主要研究内容为：搭建可模拟汽车加速、减速、巡航等不同负载状态，以及考虑温度、振动等环境条件的汽车级IGBT模块功率循环可靠性综合测试实验平台；实验研究不同服役条件下汽车级IGBT模块失效模式，建立模块失效判据；建立能反映由于Al键合失效、Al金属化层重构、焊料层失效引起的汽车级IGBT力学行为、电气性能、传热性能变化的力学模型和数值分析模型；发展一套汽车级IGBT模块功率循环实验虚拟仿真分析方法，应用于IGBT模块寿命评估。研究目标为：给出汽车级IGBT模块在不同服役条件下力学行为的清晰图像，建立一套汽车级IGBT模块功率循环实验虚拟仿真分析方法，为汽车级IGBT模块的优化设计、寿命评估以及可靠性评价提供重要的科学依据和分析模型。

汽车级IGBT模块服役工况复杂，服役环境恶劣，对汽车级IGBT模块的寿命评估、可靠性研究至关重要。本项目针对汽车级IGBT模块服役特点，基于实验观测提出汽车级IGBT模块失效的判定准则，建立汽车级IGBT模块数值分析模型，发展汽车级IGBT模块功率循环实验虚拟仿真分析方法，用于模拟汽车级IGBT复杂的实际工况，进行模块寿命评估，并为提高汽车级IGBT模块可靠性提供理论依据。具体工作包括：搭建完成汽车级IGBT模块可靠性综合测试实验平台，该实验平台可模拟不同负载状态，可实现DC功率循环实验、PWM功率循环实验，以及同时考虑振动等环境载荷条件；实验研究了功率循环过程中Al金属化层表面粗糙度演化规律，建立了Al金属化层表面粗糙度演化数值分析模型，基于实验和数值分析研究了Al金属化层表面形貌演化机制以及影响因素；基于实验观测和分子动力学模拟研究了Al键合线Al金属化层键合区域微结构演化规律以及Si偏析对键合区力学性能影响；实验测试了键合区域剪切强度，建立了键合区域晶粒尺度数值分析模型，并基于实验和数值模拟分析了剪切强度对开裂过程的影响；建立了适用于不同服役工况的IGBT模块功率损耗模型，建立了IGBT模块的RC热网络模型，在MATLAB/Simulink软件中建立了IGBT模块电热分析模型，实现IGBT模块结温的快速预测；基于不同工况下的功率循环实验，以及功率循环-振动实验建立了IGBT模块导通电阻退化模型；发展了一套IGBT模块功率循环实验仿真系统，包括建立IGBT模块的电热耦合模型、热力耦合模型以及电阻/热阻退化模型，以上三个模型共同构成IGBT模块功率循环实验仿真系统，用于代替周期较长的功率循环实验，降低物理实验的时间成本和经济成本；提出了一套基于导通电阻退化模型的IGBT模块寿命预测方法，MATLAB/Simulink软件中集成IGBT模块功率损耗模型、RC热网络模型和导通电阻退化模型，该方法能够有效预测IGBT模块寿命，对IGBT模块的可靠性实现快速评估。