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通过重新定义的三维J积分对低周热疲劳下功率模块的先进可靠性评估方法
Advanced Reliability Assessment Approach of Power Modules Under Low-Cycle Thermal Fatigue Through Redefined 3-D J-Integral
| 作者 | Jaejin Jeon · Sang Won Yoon |
| 期刊 | IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology |
| 出版日期 | 2024年12月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 功率模块 可靠性分析 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 功率模块 焊料裂纹 重新定义的J积分 热疲劳 寿命评估 |
语言:
中文摘要
功率模块是电动汽车和可再生能源系统等核心应用中的关键组件。然而,高性能功率模块通常会产生大量热量或经历较大的热波动,导致其焊料层出现严重的热疲劳。这种疲劳会威胁到模块的可靠性并缩短其使用寿命。传统上,这些现象是通过应力和应变测量来分析的,但这些基于力的方法往往无法准确预测焊料裂纹的萌生和扩展。为解决传统方法的局限性,本研究聚焦于一个名为 J 积分的断裂力学参数。具体而言,在各种改进版本的 J 积分中,本研究首次提出应用重新定义的 J 积分,即三维 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$T_{\varepsilon }^{\ast }$ </tex-math></inline-formula> 积分,以精确分析功率模块中的焊料裂纹。采用这一方法,通过热循环模拟计算重新定义的 J 积分范围 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$\Delta J$ </tex-math></inline-formula>,并将其与实验获得的裂纹扩展速率 dA/dN 进行比较。我们的分析证实,<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$\Delta J$ </tex-math></inline-formula> 与 dA/dN 之间存在很强的幂律相关性(<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${R} ^{2}$ </tex-math></inline-formula> 约为 0.9344),类似于巴黎定律。因此,所提出的重新定义的 J 积分应用方法能够有效评估功率模块在热疲劳条件下的使用寿命。
English Abstract
Power modules are crucial components in core applications, including electrified vehicles and renewable energy systems. However, high-performance power modules often generate significant heat or experience large thermal fluctuations, leading to substantial thermal fatigue in their solder layers. This fatigue can threaten their reliability and shorten their lifespan. Traditionally, these phenomena have been analyzed using stress and strain measurements, but these force-based methods often fail to accurately predict the initiation and propagation of solder cracks. To address the limitations of conventional approaches, this study focuses on a fracture mechanics parameter known as the J-integral. Specifically, among the various modified versions of the J-integral, this work proposes applying the redefined J-integral, also referred to as the 3-D T_ ^ -integral, for the first time to precisely analyze solder cracks in power modules. Using this proposed approach, the redefined J-integral range, J , is calculated through thermal cycling simulations and compared with experimentally achieved crack growth rates, dA/dN. Our analysis confirms a strong power-law correlation between the J and dA/dN (with an R ^2 of approximately 0.9344), resembling Paris’ law. Therefore, the proposed application of the redefined J-integral can effectively assess the lifespan of power modules under thermal fatigue conditions.
S
SunView 深度解读
作为全球领先的新能源设备制造商,阳光电源的光伏逆变器、储能变流器等核心产品均高度依赖功率模块的可靠性。这些产品在实际运行中面临剧烈的热循环冲击——光伏逆变器需应对昼夜温差和负载波动,储能系统则承受频繁充放电导致的温度变化。功率模块焊料层的热疲劳失效是导致产品故障的主要原因之一,直接影响系统的25年以上设计寿命目标。
本研究提出的重定义三维J积分方法为功率模块可靠性评估提供了突破性工具。传统基于应力-应变的分析方法在预测焊料裂纹萌生和扩展方面存在局限性,而该研究通过断裂力学参数ΔJ与裂纹扩展速率dA/dN建立的幂律关系(R²≈0.934),能够更精确地量化热疲劳损伤累积过程。这对阳光电源具有重要应用价值:首先,可在产品设计阶段通过热循环仿真预测功率模块寿命,优化散热设计和材料选型;其次,能够建立更精准的退化模型,支撑预测性维护策略的开发;第三,为供应链管理提供科学的器件筛选标准。
从技术成熟度看,该方法已通过实验验证展现良好相关性,但工程化应用仍需解决计算复杂度和多物理场耦合建模等挑战。对阳光电源而言,建议与研究团队开展合作,将该方法集成到现有的可靠性工程流程中,特别是针对1500V高压系统和大功率储能变流器等高应力应用场景进行验证。这项技术的应用将显著提升产品竞争力,降低质保成本,并为进军电动汽车电驱系统等新领域奠定技术基础。