精密制造与自动化
2017年第3期
基于有限元仿真的IGBT模块的应力应变分析
黄小华’郭红利
（1.陕西电子信息职业技术学院西安710077； 2.西北农林科技大学机电学院陕西杨凌712100）
摘要IGBT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IGBT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COMSOL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IGBT模块COMSOL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。
IGBT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2，这是导致变流器故障的主要原因。因此，研究IGBT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IGBT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3。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[4-6]
IGBT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
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万方数据
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IGBT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COMSOL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。
1IGBT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FF50R12RT4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 COMSOL软件自带材料库提供,模型通过AutoCAD 软件绘制。模型如图1所示，相关参数如表1和表 2所示。
图1IGBT模块的几何模型