张 阳,王维民,张 杨

(北京化工大学 机电工程学院,北京 100029)

IGBT 器件作为轨道交通车辆牵引变流器和各种辅助变流器的主流电力电子器件,在牵引变流器及其他电动设备于短时间内将时速从零提升到上百公里的过程中,用来实现变压变频控制,这种工作特点决定了其在变流装置中存在较高的失效率,文献[1-2]给出电力电子变流装置中各部分的失效率,均指出功率器件及其驱动电路故障导致变流装置故障所占的比重最大,因此研究IGBT 器件的可靠性在一定程度上有助于提高整个装置的可靠性。

目前普遍认为IGBT 主要存在两种疲劳模式:一是导致热机械应力失效的高周随机振动疲劳,波动周期通常为几十秒到几百秒;二是开关导致的周期结温波动产生的低周热应力疲劳,通常波动周期为几十毫秒到几百毫秒。两者作用将导致器件内部及封装外壳的变形和疲劳损伤累积。由于功率器件在实际工作中不断经历功率循环(PC)和温度循环(TC),且由于模块各层材料的热膨胀系数不同,器件内部层级交界处在温度作用下,产生随温度变化的大小不同的热应力,热应力的反复作用将加快焊料层、键合线、芯片、键合线焊点等部位出现不同程度老化,最终导致整个器件失效。研究人员认为应用于铁路牵引系统中的IGBT模块的使用寿命应该至少为30 年,失效率不能超过100 FIT(1 FIT=109h-1)[3]。

目前大量研究普遍基于热应力载荷开展IGBT 模块可靠性和寿命评估。文献[4]以基板厚度、焊料层厚度为变量,对模块进行随机振动,探究了结构尺寸因素对焊层寿命的影响程度,但未考虑温度因素在其中的耦合机理及对振动疲劳寿命的影响程度。……