1、作為電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)、新能源發(fā)電、智能電網(wǎng)、軌道交通等領(lǐng)域中電能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵單元，IGBT功率模塊逐步成為全球發(fā)展“綠色經(jīng)濟(jì)”的重要支點(diǎn)，其安全可靠性為解決能源短缺和降低碳排放量提供重要保證。焊料層是構(gòu)成IGBT模塊內(nèi)部電氣連接、機(jī)械支撐以及散熱通道的重要部分，其可靠連接保證了功率模塊功能的正常實(shí)現(xiàn)。面對(duì)各種復(fù)雜、嚴(yán)苛的工作環(huán)境，焊料層的熱疲勞損傷是模塊失效的主要模式之一，因此，充分了解焊料層疲勞失效機(jī)理、探究焊料層損傷在IGBT模塊中產(chǎn)生的

2、影響，對(duì)提高IGBT模塊的可靠性有重要意義。盡管目前已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)封裝模塊焊料層的疲勞失效機(jī)理進(jìn)行了研究，但主要側(cè)重于從表面檢測(cè)或外部電參量來(lái)分析焊料層的失效狀態(tài)，缺乏從物理機(jī)制方面來(lái)深入探究焊料層失效機(jī)理。此外，大多數(shù)研究忽略了焊料層累積損傷對(duì)IGBT模塊疲勞失效的影響，造成目前IGBT模塊的在線監(jiān)測(cè)、壽命評(píng)估方法存在一定的誤差。
　　基于此，本文以 SKM50GB12T4型號(hào)的 IGBT模塊為研究對(duì)象，通過(guò)有限元仿真技術(shù)，結(jié)

3、合理論分析以及老化實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展了對(duì)IGBT模塊焊料層的失效機(jī)理分析和疲勞損傷研究。文章考慮了焊料層的損傷累積效應(yīng)，研究成果為更準(zhǔn)確地進(jìn)行IGBT模塊可靠性評(píng)估和狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。
　　本文研究的主要內(nèi)容包括：
　?、籴槍?duì)目前單一的電-熱或熱-力仿真模型無(wú)法同時(shí)考慮電、熱和機(jī)械特性對(duì)IGBT模塊疲勞失效的影響，文章建立了考慮焊料層粘塑性效應(yīng)的電-熱-力多物理場(chǎng)耦合模型，對(duì) IGBT模塊的失效機(jī)理進(jìn)行分析。首先，利用

4、 MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)，建立IGBT模塊的等效Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型，計(jì)算芯片在額定電流下產(chǎn)生的功率損耗。其次，基于有限元仿真軟件ANSYS14.5，建立了IGBT模塊的等比例有限元模型，綜合Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)果對(duì)IGBT模塊進(jìn)行電-熱-應(yīng)力耦合分析。最后，針對(duì)焊料層的粘塑性力學(xué)行為，對(duì)其隨時(shí)間發(fā)生的疲勞失效機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)研究。
　?、诤噶蠈悠趬勖Ｐ鸵詰?yīng)力應(yīng)變相關(guān)參數(shù)作為輸入值，每次壽命評(píng)估前都需要進(jìn)行耗

5、時(shí)的有限元分析，針對(duì)這一問(wèn)題，文章以溫度參量代替應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)，提出一種焊料層疲勞失效評(píng)估模型。首先，基于現(xiàn)有疲勞壽命模型選取了能表征焊料層疲勞失效的力學(xué)指示參數(shù)，分析功率循環(huán)中結(jié)溫波動(dòng)、最小結(jié)溫、功率循環(huán)周期對(duì)焊料層疲勞指示參數(shù)的影響程度及影響規(guī)律。之后，基于得到的影響規(guī)律和仿真數(shù)據(jù)，通過(guò)最小二乘法建立了溫度變量與焊料層疲勞指示參數(shù)之間的曲面函數(shù)。
　?、哿鸭y的萌生和擴(kuò)展是焊料層最主要的失效模式之一，但目前對(duì)IGBT模塊及焊料層的

6、壽命預(yù)測(cè)和失效評(píng)估研究往往忽略了裂紋損傷的作用，針對(duì)這一問(wèn)題，文章分析了裂紋損傷模塊的失效機(jī)制，并提出計(jì)及疲勞累積效應(yīng)的焊料層失效評(píng)估模型。首先，基于裂紋擴(kuò)展的物理機(jī)制，在ANSYS中建立IGBT模塊的裂紋損傷有限元模型，分析功率循環(huán)下?lián)p傷模型內(nèi)部的熱-應(yīng)力場(chǎng)特點(diǎn)，詳細(xì)探究了裂紋長(zhǎng)度對(duì)IGBT模塊熱阻的影響規(guī)律。其次，通過(guò)對(duì)比相同結(jié)溫波動(dòng)載荷在損傷模型和完整模型中產(chǎn)生的老化效果，提出了包含損傷因子的焊料層疲勞失效評(píng)估模型。最后，通過(guò)加速