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功率器件技术 SiC器件 功率模块 机器学习 ★ 5.0

一种考虑高温老化下表面金属化效应的SiC模块互连层力学性能快速识别与预测的机器学习框架

A Machine Learning Framework for Rapidly Identifying and Predicting Mechanical Properties of Interconnected Layer in SiC Module Considering Surface Metallization Effect Under High-Temperature Aging

作者 Libo Zhao · Yanwei Dai · Fei Qin
期刊 IEEE Transactions on Industrial Informatics
出版日期 2025年7月
技术分类 功率器件技术
技术标签 SiC器件 功率模块 机器学习
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 烧结银 碳化硅功率模块 界面强度预测 多层MLP - LSTM框架 内聚区模型参数
语言:

中文摘要

烧结银(Ag)作为高温碳化硅(SiC)功率模块封装中最具潜力的芯片互连材料,在封装过程和高温服役条件下常承受热应力,这极大地降低了SiC功率模块的热机械可靠性。本文通过机器学习辅助的实验与模拟方法,获取并评估了考虑金属化层和高温时效效应的烧结银互连层界面强度预测参数。提出了一种基于多层MLP(多层人工神经网络) - LSTM(长短期记忆网络)框架的模型,该模型具有更高的分类和预测能力。在该方法中,MLP用于提取不同金属化层作用下的分类特征,LSTM用于提取时间特征,以对高温时效引起的力学性能退化进行长短期预测。所提出的多层MLP - LSTM方法成功地直接从芯片剪切试验的载荷 - 位移响应中识别出内聚力区模型(CZM)的相关力学参数。对与烧结银互连层界面结合强度相关的CZM参数进行了预测,并快速、高精度地确定了剪切强度的作用机制。

English Abstract

Sintered silver (Ag), as the most promising chip interconnect material for high-temperature silicon carbide (SiC) power module packaging, is often subjected to thermal stress during the packaging process and high temperature service conditions, which greatly reduce the thermal mechanical reliability of SiC power module. In this article, the prediction parameters of the interface strength of sintered Ag interconnection layer considering metallized layer and high temperature aging effects were obtained and evaluated by the method of machine learning-assisted experiments and simulations. A multilayered MLP (multilayer artificial neural network)-LSTM (long short-term memory) framework-based model was proposed, which shows higher classification and prediction ability. In this method, MLP was used to extract classification features under different metallized layers effect, and LSTM was used to extract time features for long and short-term prediction of mechanical properties degradation caused by high temperature aging. The presented multilayered MLP-LSTM method has successfully identified the relevant mechanical parameters of the cohesive zone model (CZM) directly from the load-displacement responses of die shear test. The CZM parameters related to interface bonding strength of sintered Ag interconnection layer are predicted and the mechanism of shear strength is also determined rapidly with high accuracy.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务角度来看,这项基于机器学习的SiC功率模块互连层性能预测技术具有重要的战略价值。随着公司光伏逆变器和储能系统向高功率密度、高效率方向发展,SiC功率器件已成为核心技术路线。该研究针对烧结银互连层在高温老化下的可靠性预测问题,直接关系到我们产品在严苛工况下的长期稳定性。

该技术的核心价值在于通过MLP-LSTM混合框架,能够快速识别和预测不同金属化层效应及高温老化条件下的界面强度退化规律。对于阳光电源而言,这意味着可以在产品设计阶段就预判功率模块的长期可靠性,大幅缩短验证周期。特别是在户外光伏逆变器和集装箱式储能系统应用中,设备常年面临高温、温度循环等极端环境,烧结银互连层的热机械可靠性直接影响系统25年以上的生命周期表现。

从技术成熟度评估,该方法已实现从剪切测试数据到内聚力模型参数的直接映射,具备工程化应用基础。但实际应用仍面临挑战:一是需要建立涵盖阳光电源特定封装工艺参数的训练数据库;二是如何将预测模型集成到现有的可靠性设计流程中;三是模型在多应力耦合(温湿度、功率循环)条件下的泛化能力需要验证。

建议公司与该研究团队开展合作,将此技术应用于新一代1500V光伏逆变器和液冷储能变流器的SiC模块选型与可靠性设计中,建立自主的功率模块寿命预测能力,这将成为产品差异化竞争的重要技术壁垒。