← 返回
基于相场模型与有限元分析集成的功率模块键合线电-热-力退化及裂纹扩展研究
Investigation of Electro-Thermo-Mechanical Degradation and Crack Propagation of Wire Bonds in Power Modules Using Integrated Phase Field Modeling and Finite Element Analysis
| 作者 | Han Jiang · Shuibao Liang · Yaohua Xu · Saranarayanan Ramachandran |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年11月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | 功率模块 有限元仿真 可靠性分析 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 功率模块 引线键合 界面疲劳 裂纹扩展 相场建模 |
语言:
中文摘要
引线键合的界面疲劳退化和裂纹形成是功率模块封装中影响电力电子可靠性的严重问题之一。本文提出了一种基于相场建模与有限元分析相结合的新方法,用于研究绝缘栅双极型晶体管(IGBT)功率模块中引线键合互连的电热机械行为、界面退化和裂纹扩展过程。将宏观尺度电热机械分析得到的应变能密度传递到细观尺度相场建模中,以研究考虑引线晶粒形态影响下的界面疲劳和裂纹扩展。研究了典型采用铝引线键合的IGBT功率模块在功率循环下的温度和应力分布特性。分析了引线与芯片之间热应变在互连界面处引起的应力集中。裂纹长度随循环次数的增加而增大。研究发现,由于晶界能和弱化效应,铝晶界的存在对裂纹扩展有显著影响。所建立的模型可为预测功率模块的寿命和裂纹扩展提供新的见解,并为引线键合的可靠性优化提供途径。
English Abstract
Interfacial fatigue degradation and crack formation of wire bonds are one of the serious issues related to packaging in power modules that affect the reliability of power electronics. This work presents a new approach based on a combination of phase field modeling and finite element analysis to study the electro-thermo-mechanical behavior, the interface degradation and crack propagation processes of wire bonded interconnects in insulated-gate bipolar transistor (IGBT) power modules. The strain energy density obtained from the macroscale electro-thermo-mechanical analysis is transferred to the meso-scale phase field modeling to study the interface fatigue and crack propagation, considering the effect of wire grain morphology. The temperature and stress distribution characteristics of a typical IGBT power module with Al wire bonds under power cycling are investigated. Stress concentration at the interconnect interface caused by thermal strains between wire and chip is examined. The crack length increases with increasing cycle number. The presence of Al grain boundaries is found to have a significant impact on crack propagation, due to grain boundary energy and weakening effects. The developed model could provide new insights for predicting the lifetime and crack growth of power modules, and offer a pathway for the reliability optimization of wire bonds.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项关于功率模块线键合界面退化与裂纹扩展的研究具有重要的工程应用价值。作为光伏逆变器和储能变流器的核心部件,IGBT功率模块的可靠性直接影响系统的长期稳定运行。当前我们的产品在户外极端环境下面临频繁的功率循环和温度波动,线键合界面的疲劳失效是导致模块失效的主要模式之一,这直接关系到产品的质保成本和市场竞争力。
该论文提出的相场模型与有限元分析相结合的多尺度仿真方法,能够从宏观电-热-力耦合分析深入到介观尺度的界面裂纹演化过程,特别是考虑了铝线晶界形貌对裂纹扩展的影响机制。这为我们优化功率模块封装设计提供了更精确的预测工具。通过该方法,可以在产品设计阶段就评估不同线键合工艺参数、材料选择和结构设计对模块寿命的影响,从而减少试验验证周期,降低研发成本。
从技术成熟度评估,该方法目前仍处于学术研究阶段,向工程应用转化需要解决计算效率、模型参数标定和实验验证等挑战。但其多物理场耦合的建模思路与我们现有的热设计和可靠性评估体系高度契合。建议我们的中央研究院可以跟进这类先进仿真技术,结合自身积累的大量实际失效数据,开发适用于大功率光伏和储能产品的寿命预测模型,这将成为提升产品竞争力的关键技术储备,特别是在25年以上超长质保期产品的开发中具有战略意义。