基于有限元仿真的IGBT模块的应力应变分析.pdf

精密制造与自动化2 0 1 7 年第3 期基于有限元仿真的I G B T 模块的应力应变分析黄小华1 郭红利2(1 陕西电子信息职业技术学院西安7 1 0 0 7 7；2 西北农林科技大学机电学院陕西杨凌7 1 2 1 0 0)摘要I G B T 模块是变流器的主要部件，也是功率波动和热冲击的主要承受者，其可靠性直接决定了变流器的可靠性。为研究I G B T 模块在老化过程中的应力应变特性，从而进一步从物理机理上分析模块老化失效情况，利用C O M S O L 软件进行有限元仿真，模拟了模块在损耗加热情况下的应力应变情况。分析了在键合线，键合线焊接点以及焊料层上应力应变较大的原因。总结了应力应变与模块温度、热通量、膨胀系数之间的关系，还通过人为添加空洞的方式，分析了焊料层空洞对模块状态的影响。关键词I G B T 模块C O M S O L 仿真应力应变老化失效电力系统中大量新能源的投入使用，在解决以往问题的同时，也出现了很多新的问题。变流器在能源并网中有着极其重要的作用，由于以往机组容量较小，而且比较分散，所以功率变流器对系统可靠性的影响通常被忽略。但是，随着新能源的飞速发展，机组容量越来越大，变流器容量也越来越大，其可靠性将很大程度上影响系统的正常运行。I G B T 模块作为功率变流器的主要部件，也是功率波动和热冲击的主要承受者，其重复开通或关断时，在热冲击的反复作用下容易产生失效或疲劳效应比。，这是导致变流器故障的主要原因。因此，研究I G B T 模块的老化，提取其老化的特征参数，评估其剩余寿命和可靠性，从而指导变流器的运行和维护，对于提高变流器的可靠性，保证系统的正常运行具有重要意义。当前，表征I G B T 模块老化和评估其可靠性的模型可分为解析模型和物理模型两种。解析模型仅对老化数据进行拟合，表达直观，但不能体现本质的物理过程；物理模型是将器件的物理结构变化同老化数据结合分析得到，能够更加准确地表述物理机理，但是其形式一般较为复杂，计算量很大H 1 1。I G B T 模块各层材料膨胀系数的不同，在模块被损耗加热的过程中会受到热应力的作用；同时，模块内部是一个强电强磁的区域，带电部分同时会受到较强的电动力作用。这些力的作用，会使得模块的键合线和各层材料发生应变，应变发展到键合线脱落或在焊料层中产生空洞时，又反过来增大损耗和降低模块的散热能力，使得模块承受更大的压力作用，这样持续发展，最终导致模块的失效。因此研究I G B T 模块在老化过程中的应力应变情况，对从物理机理上分析模块的老化失效有重要意义。本文利用C O M S O L 软件进行有限元仿真，分析模块老化过程中在应力应变方面的特性，分析键合线和焊料层容易产生失效的原因。1I G B T 应力应变仿真模型1 1 仿真模型的建立本文采用英飞凌公司F F 5 0 R 1 2 R T 4 型模块的参数来建立几何模型。其尺寸通过查阅手册和参考书以及利用微分尺测量得到，其材料的参数由C O M S O L 软件自带材料库提供，模型通过A u t o C A D软件绘制。模型如图1 所示，相关参数如表1 和表2 所示。图1I G B T 模块的几何模型万方数据黄小华等基于有限元仿真的I G B T 模块的应力应变分析表1I G B T 模块的几何尺寸长宽(m m)厚(舢n)芯片7 70 0 5焊料层7 7O 3铜2 9 2 6O 3陶瓷3 1 2 8O 5铜3 1 2 80 3焊锡3 1 2 80 0 8底座9 4 X 3 43 0 4表2I G B T 模块的材料参数铜焊锡陶瓷硅铝导热系数4 0 05 02 71 3 02 3 8W(m K)常压热容3 8 51 5 09 0 07 0 09 0 0J(k g。K)】密度8 7 0 09 0 0 03 9 0 02 3 2 92 7 0 0k g m 3热膨胀系1 7 e 一62 l e 68 e 62 6 e 62 3 e 6l K杨氏模量1 1 0 e 91 0 e 93 0 0 e 91 7 0 e 97 0 e 9P a泊松比0 3 50 40 2 2 2O 2 80 3 31 2 仿真条件的设定1 2 1 仿真中受力形式从I G B T 模块的工作原理可以看出，其主要受力方式有两类：热应力和电动力。1)热应力热应力是指在温度改变时，物体由于外在约束以及内部各部分之间的相互约束，使其不能完全自由膨胀而产生的应力。在I G B T 模块中，则主要指由于模块各层材料的不同，热膨胀系数不同，同时各层材料焊接在一起存在约束，在加热情况下膨胀不一致所产生的应力。2)电动力电动力是指带电导体在磁场中所受的力。这个力主要受电流大小，磁场大小的影响。在I G B T 模块中，由于电磁场分布的十分复杂，考虑和分析这个力的作用