疲劳

伴随电力电子设备在高温、高速环境下的应用增多及环境的不确定性因素增加，疲劳失效问题越来越受到大家的重视。因此，在多种多样的领域中均需应用疲劳寿命的预测研究。针对IGBT 模块的寿命预测模型，国外提出了许多的寿命预测模型，整体上可以分为解析预测模型、物理预测模型。

疲劳寿命的解析预测模型

通常此类模型以温度作为构建预测模型的基准，建立功率器件的疲劳寿命Nf 。由于无法从结温-时间关系曲线中精确的获取温度经历的循环次数是此类模型中存在的主要问题。通常只能采用统计的方法，但是这种方法只能获取结温经历的最大幅值、平均值的循环次数，再与疲劳累积损伤理论相结合，计算离线功率器件的疲劳寿命、损伤度。其中Mahera Musallam 对IGBT 器件的失效机理和疲劳寿命的预测做了许多的研究，指出雨流算法的应用可对工作时的功率模块的寿命进行实时监测，以在发生故障前及时发出警报。若功率器件整体的最高结温不超过120℃，则可用Coffin-Manson 模型对器件的疲劳寿命进行预测。

-n f j N T α=∆（）

疲劳寿命的物理预测模型

物理预测模型则以器件本身材料的塑性应变、蠕变等机理为基准。因此，必须确切知道器件的基本机械结构及材料力学性能等，而且很难精确提取功率器件的性能参数，同时模块应变变形的提取过程比较麻烦，测量设备也比较昂贵等。通过力学性能参数的区分，可将器件的预测模型进行如下分类：

塑性应变的寿命预测模型。这类模型主要体现了器件失效周期与一次循环产生的焊料层塑性剪切应变之间的经验关系。C-M 寿命预测模型、Soloman 寿命预测模型等在研究中应用的比较多。焊点的疲劳老化通常是所说的低周疲劳失效。因此，多数的焊接点的预测模型均是以Coffin-Manson 模型为基础，例如Engelmaier 预测模型便是以此基础进行的改进。 N C αε∆⋅=

模块的键合点处剪切应力较大，易造成材料的塑性变形，

循环应力的持续作用往往会引起材料的疲劳失效。

累积蠕变应变的寿命预测模型。这类模型主要考虑了与时间相关的蠕变效应。Syed ，Knecht ，Shine 等人提出了以焊料层某一温度的波动周期内的累积蠕变损伤为基础的疲劳预测模型。Syed 等人研究认为蠕变是造成焊料层疲劳老化的主要因素，是衡量焊料层老化进程的唯一标准。因此，以焊料层的蠕变应变为基础预测焊料层的疲劳寿命。此种模型将循环负载视为蠕变的一种方式。文献[40-45]提出了以累积蠕变应变能和累积蠕变应变能密度为参量的焊料层疲劳预测模型。

断裂理论的寿命模型。此模型将断裂力学理论纳入到寿命预测中，通过计算微裂纹的发展速率对疲劳寿命进行预测。根据断裂力学的相关理论，可将焊料层

老化失效分为裂纹的萌生阶段和裂纹的扩展阶段。目前主要有J积分的寿命预测模型等。该类模型在主要应用于功率器件焊料层的塑性直接断裂的预测中。

累积能量的寿命模型。该模型以疲劳能量积累理论为基础，主要考虑应变迟滞于应的现象，以应变产生能量对功率器件的疲劳老化进行表达。在功率器件持续的循环过程中，每一循环过程中产生的能量不断累积，导致功率器件的材料失效。Morrow提出一种以应变产生的能量为参数的预测模型，可以对器件内部产生的损伤进行分析。

综上所述，相比于寿命预测的物理模型，解析模型IGBT模块寿命预测中得到了广泛应用，但是其对外部加载条件对功率模块疲劳寿命的影响考虑较少，并且也未关注模块内部焊料层的老化对器件工作的最高结温、疲劳寿命的预测的某些影响。因此，本文以上述的疲劳寿命的预测模型为基础，探究功率器件运行的环境条件以及器件的能量分布对其疲劳老化的影响，为衡量器件长期运行可靠性的问题提供理论参考。

鲁光祝

2 寿命预测物理模型。

物理模型完全基于功率模块内部疲劳老化和应力变形的物理机理，需要清楚地知道器件内部物理结构、材料物理性能、力学性能等，尤其是模型中参数值的获取过程更是复杂，并且器件内部应力和应变的直接测量需要特殊测量方法和设备，如红外显微镜等[37]。根据不同的力学参量，寿命预测模型可分为四类[25-26,38-39]。

基于塑性应变寿命模型主要着重于与时间无关的塑性效应，该模型描述了损坏循环次数与每一循环焊接材料塑性应变大小之间的经验关系。比较有代表性的有Coffin-Manson疲劳模型和Soloman疲劳模型[25-26]。

基于蠕变应变寿命模型考虑了与时间相关的蠕变效应。蠕变形变机理非常复杂，比较有代表性的有Syed模型和Kencht-Fox模型[25-26,38]，但因其忽略了塑性应变，故不能够预测所有产品的寿命。

基于断裂参量的预测模型[25-26,38]。该模型以断裂力学为基础，计算疲劳裂纹的扩展，累积其过程所造成的破坏效应。国外已经做了不少研究，该模型已经在表征工程材料的弹塑性断裂和疲劳中得到了成功的应用。

基于能量的预测模型考虑了应力与应变的迟滞效应，常用有限元方法计算循环的应变能，也可用实验方法测量[38]。文献[39]应用基于能量的方法对功率模块可靠性和寿命预测进行了研究，在器件运行过程中，其形变能量在不断积累，当形变能达到标准值ΔW tot时，认为该器件失效。

综上所述，与寿命预测物理模型相比，解析模型已广泛应用于IGBT模块寿命预测研究中，但对功率模块各种外部加载条件对寿命影响的研究鲜有报道，并

且在通常的寿命预测研究中，并未考虑其内部焊接层疲劳老化对结温和寿命预测的影响，因此，本文拟通过现有寿命预测模型研究功率模块外部运行条件和内部状态对寿命的影响程度，为功率模块的可靠性评估提供依据。

键合线主要是剪切应力，焊料层主要是蠕变疲劳导致的老化。

如SnAgCu系焊料,在低应力水平时有较高的蠕变抗力,在高应力水平时的应变抗力则较低。另外,目前的寿命试验大多是通过加速试验进行的,而加速因子受加速试验条件和焊料合金系的影响,加速试验的结果还有待于实际封装结构在真实条件下服役的验证

杨氏模量是描述固体材料抵抗形变能力的物理量。当一条长度为L、截面积为S的金属丝在力F作用下伸长ΔL时，F/S叫应力，其物理意义是金属丝单位截面积所受到的力；ΔL/L叫应变，其物理意义是金属丝单位长度所对应的伸长量。应力与应变的比叫弹性模量。ΔL是微小变化量。杨氏模量（Young's modulus），又称拉伸模量（tensile modulus）是弹性模量（elastic modulus or modulus of elasticity）中最常见的一种。

杨氏模量，它是沿纵向的弹性模量，也是材料力学中的名词。1807年因英国医生兼物理学家托马斯·杨(ThomasYoung,1773-1829)所得到的结果而命名。根据胡克定律，在物体的弹性限度内，应力与应变成正比，比值被称为材料的杨氏模量，它是表征材料性质的一个物理量，仅取决于材料本身的物理性质。杨氏模量的大小标志了材料的刚性，杨氏模量越大，越不容易发生形变。

考虑到焊点失效的时间关联度,大致可分为三个不同的时期

初期失效阶段,主要是焊点固有质量缺陷或工艺操作不当或装卸造成的焊点大量失效

随机失效阶段,该阶段焊点对环境应力的适应性如何,需通过试验对焊点进行分析、评价,验证焊接的可靠性

耗尽失效阶段,其失效主要是包括化学的、冶金的、热一力学行为等因素的累积效应造成的,如焊锡与被焊基板间长期的金属互扩散反应或应力应变累积造成焊点失效。引起焊点失效的最主要因素就是裂纹,裂纹一般产生在焊料和焊盘的界面处,产生的原因主要由不同材料之间的热膨胀系数失配和界面金属间化合物等问题引起。

因此,电子工业界在评估焊点可靠性时,一般采用功率循环、温度循环和机械循环等三种加速疲劳测试方法

加电功率循环诱发焊点疲劳,是一种最接近实际使用条件的试验方法,但试验时间长,无法在较短的时间内获得合理的试验结果。

温度循环试验,适用于热膨胀系数失配较大的体系,如在一上组装陶瓷器件等。