电力电子器件的热疲劳寿命预测 (2013年)
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第
6
期
电
源学
报
2013
年
11
月
Joumal
of
Power
Supply
No.6
Nov.2013
电力电子器件的热疲劳寿命预测
陈玉香，杨欢
(中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州
221116)
摘要:针对功率交流装置中电力电子器件因承受随机波动温度载荷而诱发的热疲劳退化问题，以焊锡层热疲劳
失效这种常见的失效模式为例，提出了一种预测电力电子器件热疲劳寿命的方法。以电力电子器件热疲劳退化机理
为基础，首先建立器件的电-热锅合模型，结合运行工况实时预测器件结温及不易直接测量的焊锡层的温度载荷;
随后建立器件的热-机械祸合模型，计算不同特征温度载荷周期内累积的塑性形变，作为焊锡层热疲劳寿命模型的
输入参数。结合以上两种模型以及
Miner
线性累积损伤理论即可实现任一工况下电力电子器件热疲劳寿命的预测。
最后举例说明了方法的有效性。
关键词:电力电子器件;温度载荷;热疲劳失效;寿命预测
中图分类号
:TM401+.1
文献标志码
:A
引言
电力电子器件作为功率变流装置的核心器件
广泛的应用于工业生产的各个领域。工作于开关状
态的电力电子器件需处理随机波动的功率使其在
实际运行中常承受循环的温度载荷。然而电力电子
器件固有的多层封装结构，使其内部存在多个不同
材料的接口层。这些接口层在承受循环温度载荷
时，由于热膨胀系数不匹配而在接口层处积累不可
恢复的塑性形变，当累积的塑性形变达到一定的程
度时，诱发裂纹产生、发展，最终导致器件永久失
效。其中焊锡层裂纹作为电力电子器件最为常见的
热疲劳失效模式受到广泛的关注。焊锡层中裂纹产
生、发展使得层与层之间互联面积减小，增加了器
件的热阻不利于热流流通，导致器件结温上升，加
强了器件的热疲劳退化过程[叮。为了避免由于电力
电子器件失效而引发的重大损失，精确的预测器件
的热疲劳寿命，在寿命终结前及时的替换器件尤为
重要。
本文以电力电子器件焊锡层为例，采用基于失
收稿日期
:2013-09-23
作者简介:陈玉香
(1988-
)，女，硕士研究生，研究方向为功率器件可
靠性研究，
E-mail:[email protected];
杨欢(1
989-)
，女，
硕士研究生，研究方向为功率器件可靠性研究。
文章编号
:2095-2805(2013)06
一
0079-06
效物理的寿命预测方法，不同于传统基于可靠性预
汁手册的方法，从器件的热疲劳退化机理出发，考
虑器件封装结构与温度载荷相互作用的影响，建立
器件的电-热搞合模型和热-机械搞合模型。再结合
焊锡层的热疲劳寿命模型、
Miner
线性累积损伤理
论即可实现任一工况下电力电子器件的热疲劳寿
命预测。
1
电力电子器件疲劳寿命预测
1.
1
电-热藕合模型的建立
温度载荷作为电力电子器件热疲劳退化的主
要诱因，应作为器件热疲劳寿命预测框图中最基本
的输入条件首先获得。然而对于焊锡层这样的封装
内部接口层其温度载荷不容易直接测量问。建立电
力电子器件的等效热路模型作为一种可行的解决
方法被提出。通常采用
Foster
网络模型，即用串联
的
RC
并联模块来等效一条热路的热阻抗，芯片产
生的热损耗由电流源表示[叫。为了获得封装内部焊
锡层的温度载荷，将器件封装各层的热阻抗曲线均
用
4
个串联的
RC
并联模块表示。例如对于仙童公
司
FQA160N08
型号的功率
MOSFET
，为
TO-3P
封
装形式，不考虑引线键合、输出引脚以及引线框架
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