【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及功率半導體，尤其涉及功率半導體焊接層壽命評估與失效預測方法。
技術介紹
1、功率半導體是半導體的一個分支，主要用于電力電子設備中電能的轉換和控制。
2、公開號cn106291299b公開了功率半導體模塊和功率半導體模塊的熱疲勞壽命判斷方法，熱疲勞壽命判斷構件在規定溫度下所呈現出的顏色隨著所述功率半導體模塊所經歷的溫度循環次數的增加而發生變化，根據所述熱疲勞壽命判斷構件在規定溫度下所呈現出的顏色來判斷所述功率半導體模塊的熱疲勞壽命。
3、公開號cn116432543b公開了一種功率半導體模塊剩余壽命預測方法，確定在加速老化測試過程中表征功率半導體模塊老化過程的前驅參數；設置綜合損失函數對卷積神經網絡進行迭代訓練，得到訓練完成的剩余壽命預測模型。
4、但是上述申請仍存在以下問題：cn106291299b通過觀察顏色來直觀定性地評估熱疲勞壽命，主要側重于熱疲勞壽命的判斷，僅關注溫度循環帶來的老化影響，應用范圍相對較窄，只能從熱疲勞角度大致給出壽命情況，無法深入分析其他因素，如機械應力、電性能對焊接層壽命的綜合影響，cn116432543b核心在于利用特定的前驅參數和卷積神經網絡的訓練方法構建模型，側重于從加速老化測試獲取的數據角度出發，圍繞前驅參數開展壽命預測，對于功率半導體模塊內部具體的物理過程，如熱量傳遞、應力分布、電性能變化細節，涉及相對較少，功率半導體焊接層壽命的預測準確性有待提升。
技術實現思路
1、為解決
技術介紹
中存在的技術問
2、本專利技術提出的功率半導體焊接層壽命評估與失效預測方法，包括以下步驟：
3、s1、采集獲取芯片設計參數、功率半導體模塊封測工藝參數、功率半導體模塊工作條件監測數據；
4、s2、根據s1獲取的數據，采用有限元分析方法構建傳熱模型、機械應力模型和電性能模型；
5、s3、疲勞壽命模型構建：根據機械應力模型輸出的焊接層應力、應變數據，基于miner準則的累積損傷理論，將焊接層在不同工作周期下經受的應力循環進行統計，結合焊接材料的sn曲線，計算焊接層的疲勞損傷累積值，預測其基于機械疲勞的剩余壽命；
6、熱壽命模型建立構建：通過傳熱模型得到的焊接層溫度數據，采用arrhenius方程，通過監測焊接層材料性能變化與溫度、時間的關系，建立熱壽命模型，預測焊接層因熱老化導致的壽命損耗；
7、綜合壽命融合模型構建：通過電性能模型、疲勞壽命模型、熱壽命模型相結合，采用加權或多因素耦合算法，構建綜合壽命融合模型，綜合壽命融合模型用于預測焊接層的整體壽命；
8、s4、在功率半導體模塊運行過程中，通過傳感器實時采集與傳輸數據；
9、s5、s4中實時采集的數據，根據綜合壽命模型計算結果，當焊接層剩余壽命低于預設安全閾值，系統發出失效預警信號。
10、優選地，s1中，采用箱線圖法識別并剔除芯片設計參數、功率半導體模塊封測工藝參數、功率半導體模塊工作條件監測數據中的離群點。
11、優選地，s2中，傳熱模型構建：基于芯片設計參數、功率半導體模塊封測工藝參數、功率半導體模塊工作條件監測數據，采用有限元分析方法構建傳熱模型，傳熱模型用于模擬不同工作條件下熱量在功率半導體模塊內的分布，傳熱模型用于預測焊接層熱負荷；
12、機械應力模型構建：基于傳熱模型、芯片設計參數、功率半導體模塊封測工藝參數、功率半導體模塊工作條件監測數據，采用有限元分析方法構建機械應力模型，機械應力模型用于模擬不同工作條件下的應力變化，機械應力模型用于評估焊接層的結構強度能否承受應力變化；
13、電性能模型構建：基于芯片設計參數和功率半導體模塊工作條件監測數據，采用有限元分析方法構建電性能模型，電性能模型用于模擬不同電壓、電流工況下焊接層的電應力情況，結合材料的電遷移閾值參數，材料的電遷移閾值參數可通過s1獲取，電性能模型用于預測電應力對焊接層壽命的影響程度。
14、優選地，s2中，對于傳熱模型、機械應力模型和電性能模型，基于不同的假設或參數范圍構建多個有限元傳熱子模型、多個有限元機械應力子模型和多個有限元電性能子模型，并以多個有限元傳熱子模型、多個有限元機械應力子模型和多個有限元電性能子模型的輸出結果作為訓練數據，構建隨機森林模型；
15、當給定新的功率半導體模塊的工況參數，例如實際的工作溫度、施加的外力、電壓電流情況時，將這些參數輸入到訓練好的隨機森林模型中，模型就能輸出集成后的傳熱、機械應力或電性能的預測結果，采用隨機森林模型可以減少單個模型的偏差和方差，從而提高模型對復雜物理現象，如熱量分布、應力變化和電應力情況的模擬能力，從而提高對相應物理現象的模擬能力和預測精度。
16、優選地，s2中，將傳熱模型依據不同的材料熱導率假設，不同散熱方式下熱量分布，不同的外部環境溫度邊界條件，劃分為多個有限元傳熱子模型；
17、將機械應力模型依據基于材料力學性能的不同假設，芯片與基板之間不同的貼合緊密程度，芯片與基板之間有無間隙，劃分為多個有限元機械應力子模型；
18、將電性能模型依據不同的電導率假設，不同的電場分布假設，劃分為多個有限元電性能子模型；
19、優選地，s2中，傳熱模型、機械應力模型和電性能模型中的模型參數采用以下方式生成：
20、對于傳熱模型，將不同材料的熱導率、與散熱方式相關的參數以及外部環境溫度邊界條件參數進行編碼；
21、對于機械應力模型，把材料力學性能相關參數、芯片與基板貼合緊密程度的量化參數，表示有無間隙的二進制參數，0表示無間隙，1表示有間隙，進行編碼；
22、對于電性能模型，將電導率假設值、電場分布相關參數進行編碼；
23、將傳熱模型、機械應力模型和電性能模型的參數進行編碼后，隨機生成多組編碼組合，每個編碼組合代表一組傳熱模型、機械應力模型和電性能模型的參數；
24、對于多組編碼組合，將其應用到傳熱模型、機械應力模型和電性能模型中，得到傳熱、機械應力和電性能的預測結果，然后與實際測量得到的物理量進行比較，計算得到多個平均絕對誤差；
25、在多個平均絕對誤差所對應的編碼組合中，采用根據概率隨機選擇的方法，選擇x個編碼組合；
26、3≤x，且x為正整數；
27、接下來，x個編碼組合之間進行部分信息交換，并對x個編碼組合的每一個編碼組合中的部分編碼進行隨機改變，生成多個新的編碼組合，然后再次采用根據概率隨機選擇的方法，選擇x個編碼組合，繼續進行x個編碼組合之間進行部分信息交換，并對x個編碼組合的每一個編碼組合中的部分編碼進行隨機改變，生成多個新的編碼組合，經過多輪迭代，從最后一輪迭代所保留的多個新的編碼組合中，從中獲取一個平均絕對誤差最小值所對應的編碼組合，并將其解碼為傳熱模型、機械應力模型和電性能模型的最佳參數組合。
【技術保護點】
1.功率半導體焊接層壽命評估與失效預測方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的功率半導體焊接層壽命評估與失效預測方法，其特征在于，S1中，采用箱線圖法識別并剔除芯片設計參數、功率半導體模塊封測工藝參數、功率半導體模塊工作條件監測數據中的離群點。
3.根據權利要求1所述的功率半導體焊接層壽命評估與失效預測方法，其特征在于，S2中，傳熱模型構建：基于芯片設計參數、功率半導體模塊封測工藝參數、功率半導體模塊工作條件監測數據，采用有限元分析方法構建傳熱模型，傳熱模型用于模擬不同工作條件下熱量在功率半導體模塊內的分布，傳熱模型用于預測焊接層熱負荷；
4.根據權利要求3所述的功率半導體焊接層壽命評估與失效預測方法，其特征在于，S2中，對于傳熱模型、機械應力模型和電性能模型，基于不同的假設或參數范圍構建多個有限元傳熱子模型、多個有限元機械應力子模型和多個有限元電性能子模型，并以多個有限元傳熱子模型、多個有限元機械應力子模型和多個有限元電性能子模型的輸出結果作為訓練數據，構建隨機森林模型；
5.根據權利要求3或4所述的功率半導體焊
6.根據權利要求5所述的功率半導體焊接層壽命評估與失效預測方法，其特征在于，S2中，傳熱模型、機械應力模型和電性能模型中的模型參數采用以下方式生成：
7.根據權利要求6所述的功率半導體焊接層壽命評估與失效預測方法，其特征在于，概率隨機選擇的方法如下：
8.根據權利要求1所述的功率半導體焊接層壽命評估與失效預測方法，其特征在于，S5中，對于失效預警的預設安全閾值，使用長短期記憶網絡算法動態閾值調整：
9.一種IGBT芯片設計方法，IGBT芯片在設計時，其特征在于，還包括以下步驟：
...【技術特征摘要】
1.功率半導體焊接層壽命評估與失效預測方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的功率半導體焊接層壽命評估與失效預測方法，其特征在于，s1中，采用箱線圖法識別并剔除芯片設計參數、功率半導體模塊封測工藝參數、功率半導體模塊工作條件監測數據中的離群點。
3.根據權利要求1所述的功率半導體焊接層壽命評估與失效預測方法，其特征在于，s2中，傳熱模型構建：基于芯片設計參數、功率半導體模塊封測工藝參數、功率半導體模塊工作條件監測數據，采用有限元分析方法構建傳熱模型，傳熱模型用于模擬不同工作條件下熱量在功率半導體模塊內的分布，傳熱模型用于預測焊接層熱負荷；
4.根據權利要求3所述的功率半導體焊接層壽命評估與失效預測方法，其特征在于，s2中，對于傳熱模型、機械應力模型和電性能模型，基于不同的假設或參數范圍構建多個有限元傳熱子模型、多個有限元機械應力子模型和多個有限元電性能子模型，并以多個有限元傳熱子模...
【專利技術屬性】
技術研發人員：孔亮，宋昊，徐勇，倪艷，
申請(專利權)人：青島中微創芯電子有限公司，
類型：發明
國別省市：
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