一种多芯片并联IGBT模块可靠性综合评价方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种多芯片并联IGBT模块可靠性综合评价方法及系统，其中，方法的实现包括：建立多芯片并联IGBT模块栅极

【技术实现步骤摘要】
一种多芯片并联IGBT模块可靠性综合评价方法及系统


[0001]本专利技术属于电力电子关键器件可靠性
，更具体地，涉及一种多芯片并联IGBT模块可靠性综合评价方法及系统。

技术介绍

[0002]绝缘栅双极性晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)模块是由多个IGBT芯片、二极管芯片、焊料层、键合线、陶瓷覆铜基板、散热底板及功率端子组成的电力电子集成模块。IGBT模块主要应用于逆变器、变频器、不间断电源、风力和太阳能发电等领域，是功率变流器中的核心器件，也是功率变流器中失效率最高的器件之一。作为大功率变换器中的关键核心器件，IGBT模块的可靠性是电力电子应用中的重要问题。为降低功率变流器的故障率，提高功率变流器的可靠性，对IGBT模块进行可靠性评估具有重要意义。
[0003]由于半导体器件中各层材料热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion，CTE)不一致，结温的波动引起各层膨胀程度不同，使得各层之间产生热应力，导致焊料层疲劳或键合线脱落。芯片焊料层疲劳失效和键合线脱落是IGBT模块主要的老化失效机制。目前针对IGBT模块可靠性研究大多数集中于健康敏感参数，选取模块电参数为故障特征，但目前大多只能实现一种故障状态的监测，无法同时监测芯片故障和键合线故障。因此，利用单一健康敏感参数难以实现IGBT模块健康状态准确监测和IGBT模块可靠性综合评价。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提出了一种多芯片并联IGBT模块可靠性综合评价方法及系统，针对IGBT模块中芯片疲劳故障和键合线脱落故障，能准确评估模块健康状态和可靠性，且操作简便。
[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种多芯片并联IGBT模块可靠性综合评价方法，包括：
[0006](1)建立多芯片并联IGBT模块栅极
‑
发射极电压可靠性模型，基于栅极
‑
发射极电压可靠性模型实现芯片疲劳故障测试，并选取栅极
‑
发射极电压为故障特征量；
[0007](2)建立多芯片并联IGBT模块跨导的可靠性模型，基于跨导的可靠性模型实现键合线脱落故障测试，并选取模块传输特性曲线为故障特征量；
[0008](3)定义IGBT模块健康度，用皮尔逊相关系数表征健康度，计算不同程度下的芯片疲劳故障状态下的健康度PPMCC
C
以及不同程度下的键合线脱落故障状态下的健康度PPMCC
B
；
[0009](4)依据PPMCC
C
和PPMCC
B
综合评价多芯片并联IGBT模块可靠性。
[0010]在一些可选的实施方案中，所述步骤(3)的具体实现方法为：
[0011](3.1)采用健康度表征IGBT模块可靠性，在模块无芯片疲劳故障且无键合线脱落故障时，其健康度最大，在IGBT模块处于健康初始状态无芯片疲劳故障时，栅极
‑
发射极电压特征向量为在IGBT模块中有i个芯片故障时，栅极
‑
发射极电压特征向量为在IGBT
模块处于健康初始状态无键合线脱落故障时，IGBT模块传输特性曲线特征向量为在IGBT模块中有p根键合线脱落时，IGBT模块传输特性曲线特征向量为
[0012](3.2)基于栅极
‑
发射极电压特征向量与栅极
‑
发射极电压特征向量得到芯片疲劳故障状态下的栅极
‑
发射极电压与健康状态下的线性相关程度PPMCC
C
，其中，PPMCC
C
越大，两者之间相关程度越高，芯片健康度越高，可靠性越强；
[0013](3.3)基于IGBT模块传输特性曲线特征向量与IGBT模块传输特性曲线特征向量得到键合线脱落故障状态下的传输特性曲线与健康状态下的线性相关程度PPMCC
B
，其中，PPMCC
B
越大，两者之间相关程度越大，键合线健康度越高，模块可靠性越高。
[0014]在一些可选的实施方案中，
[0015]由得到芯片疲劳故障状态下的栅极
‑
发射极电压与健康状态下的线性相关程度，其中，h表示所选样本数量，x
j
表示无芯片故障栅极
‑
发射极电压特征向量对应的j点观测值，表示特征向量观测值平均数，y
ij
表示i个芯片故障时栅极
‑
发射极电压特征向量对应的j点观测值，表示特征向量观测值平均数。
[0016]在一些可选的实施方案中，
[0017]由得到键合线脱落故障状态下的传输特性曲线与健康状态下的线性相关程度，其中，l表示所选样本数量，m
q
表示无键合线脱落时模块传输特性曲线特征向量对应的q点观测值，表示特征向量观测值平均数，n
pq
表示p根键合线脱落时模块传输特性曲线特征向量对应的q点观测值，表示特征向量观测值平均数。
[0018]在一些可选的实施方案中，所述步骤(4)的具体实现方法为：
[0019]由芯片疲劳故障状态下的栅极
‑
发射极电压与健康状态下的线性相关程度PPMCC
C
及键合线脱落故障状态下的传输特性曲线与健康状态下的线性相关程度PPMCC
B
进行加权求和得到模块整体健康度，由模块整体健康度评价多芯片并联IGBT模块可靠性，其中，所述模块整体健康度反映模块芯片健康状态及模块键合线健康状态的模块整体健康度。
[0020]在一些可选的实施方案中，由PPMCC
H
＝a*PPMCC
C
+b*PPMCC
B
得到模块整体健康度，其中，a表示IGBT模块中由芯片疲劳失效引起的故障比例，b表示IGBT模块中由键合线脱落故障引起的故障比例。
[0021]按照本专利技术的另一方面，提供了一种多芯片并联IGBT模块可靠性综合评价系统，包括：
[0022]第一故障特征量获取模块，用于建立多芯片并联IGBT模块栅极
‑
发射极电压可靠性模型，基于栅极
‑
发射极电压可靠性模型实现芯片疲劳故障测试，并选取栅极
‑
发射极电压为故障特征量；
[0023]第二故障特征量获取模块，用于建立多芯片并联IGBT模块跨导的可靠性模型，基于跨导的可靠性模型实现键合线脱落故障测试，并选取模块传输特性曲线为故障特征量；
[0024]健康度计算模块，用于定义IGBT模块健康度，用皮尔逊相关系数表征健康度，计算不同程度下的芯片疲劳故障状态下的健康度PPMCC
C
以及不同程度下的键合线脱落故障状态下的健康度PPMCC
B
；
[0025]可靠性评价模块，用于依据PPMCC
C<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多芯片并联IGBT模块可靠性综合评价方法，其特征在于，包括：(1)建立多芯片并联IGBT模块栅极
‑
发射极电压可靠性模型，基于栅极
‑
发射极电压可靠性模型实现芯片疲劳故障测试，并选取栅极
‑
发射极电压为故障特征量；(2)建立多芯片并联IGBT模块跨导的可靠性模型，基于跨导的可靠性模型实现键合线脱落故障测试，并选取模块传输特性曲线为故障特征量；(3)定义IGBT模块健康度，用皮尔逊相关系数表征健康度，计算不同程度下的芯片疲劳故障状态下的健康度PPMCC
C
以及不同程度下的键合线脱落故障状态下的健康度PPMCC
B
；(4)依据PPMCC
C
和PPMCC
B
综合评价多芯片并联IGBT模块可靠性。2.根据权利要求1所述的多芯片并联IGBT模块可靠性综合评价方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体实现方法为：(3.1)采用健康度表征IGBT模块可靠性，在模块无芯片疲劳故障且无键合线脱落故障时，其健康度最大，在IGBT模块处于健康初始状态无芯片疲劳故障时，栅极
‑
发射极电压特征向量为在IGBT模块中有i个芯片故障时，栅极
‑
发射极电压特征向量为在IGBT模块处于健康初始状态无键合线脱落故障时，IGBT模块传输特性曲线特征向量为在IGBT模块中有p根键合线脱落时，IGBT模块传输特性曲线特征向量为(3.2)基于栅极
‑
发射极电压特征向量与栅极
‑
发射极电压特征向量得到芯片疲劳故障状态下的栅极
‑
发射极电压与健康状态下的线性相关程度PPMCC
C
，其中，PPMCC
C
越大，两者之间相关程度越高，芯片健康度越高，可靠性越强；(3.3)基于IGBT模块传输特性曲线特征向量与IGBT模块传输特性曲线特征向量得到键合线脱落故障状态下的传输特性曲线与健康状态下的线性相关程度PPMCC
B
，其中，PPMCC
B
越大，两者之间相关程度越大，键合线健康度越高，模块可靠性越高。3.根据权利要求2所述的多芯片并联IGBT模块可靠性综合评价方法，其特征在于，由得到芯片疲劳故障状态下的栅极
‑
发射极电压与健康状态下的线性相关程度，其中，h表示所选样本数量，x
j
表示无芯片故障栅极
‑
发射极电压特征向量对应的j点观测值，表示特征向量观测值平均数，y
ij
表示i个芯片故障时栅极
‑
发射极电压特征向量对应的j点观测值，表示特征向量观测值平均数。4.根据权利要求3所述的多芯片并联IGBT模块可靠性综合评价方法，其特征在于，由得到键合线脱落故障状态下的传输特性曲线与健康状态下的线性相关程度，其中，l表示所选样本数量，m
q
表示无键合线脱落时模块传输特性曲线特征向量对应的q点观测值，表示特征向量观测值平均数，n
pq
表示p根键合
线脱落时模块传输特性曲线特征向量对应的q点观测值，表示特征向量观测值平均数。5.根据权利要求4所述的多芯片并联IGBT模块可靠性综合评价方法，其特征在于，所述步骤(4)的具体实现方法为：由芯片疲劳故障状态下的栅极
‑
发射极电压与健康状态下的线性相关程度PPMCC
C
及键合线脱落故障状态下的传输特性曲线与健康状态下的线性相关程度PPMCC
B
进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：何怡刚，王晨苑，李猎，杜博伦，张慧，何鎏璐，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：