摘要
IGBT（绝缘栅双极型晶体管）作为电力变换装置核心部件，其可靠性直接关系设备以及系统的安全运行，若出现故障将导致整个系统无法稳定运行，造成重大安全事故。针对功率模块的失效机理分析和状态监测技术，可以从源头上揭示模块内部失效模式，并反映模块运行时的健康状态，是提高功率模块可靠性的有效途径。本文以IGBT的关键部件焊料层和键合线为主要研究对象，建立功率模块的有限元模型，通过仿真计算来模拟老化过程中模块内部热力场的变化，并基于仿真结果给出了模块易失效部位和热性能优化建议。针对模块键合线脱落情况下的状态监测方法，本文提出基于磁场的非接触式方法进行健康状态评估，从理论上分析了键合线故障后导致的磁场变化情况，并通过仿真和实验验证了该方法的有效性。 本文首先对功率模块工作过程中所涉及的电、热、力、磁场之间的耦合理论进行分析，并根据模块的结构和材料参数在COMSOL软件平台上建立了对应的有限元模型。从材料角度，提出通过在模块结构中添加石墨烯提高模块的散热性能的方式来提高模块的可靠性。通过提取焊料层的二维几何模型，进行疲劳失效分析，根据计算结果得出焊料层边缘处疲劳寿命远低于其他部位容易最先出现疲劳失效行为的结论。并且通过焊料层内部空洞仿真，从面积、形态、位置不同角度揭示了空洞对焊料层内部应力场的影响。 其次，本文针对键合线的脱落问题，从失效机理出发，通过仿真的方式对键合线的失效行为进行解释，并从器件开关行为和键合线周围磁场变化两个角度分析了键合线故障下磁场的变化情况，建立了键合线的健康状态与磁场强度之间的关系，并通过仿真和实验验证了该方法的有效性。 通过本文提出的方法，制造商可以更好地识别模块易失效部位，优化模块热性能，提高模块的可靠性。
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