[0001] 本发明涉及功率器件领域，特别涉及一种基于功率器件表面温度检测焊层老化形貌的方法及系统。

[0002] 一直以来，功率器件都是能量转换设备中的重要组成部分。现如今，新能源技术被广泛应用的同时，对功率器件的可靠运行提出了越来越高的要求。据统计，目前的电力设备中，有超过30％的原因是功率器件损坏所导致的。因此，研究功率器件在工作过程中是如何老化失效的是极为重要的。

[0003] 功率器件在使用过程中的失效模式可以分为短时间失效与长时间失效。短时间失效是由于功率器件自身的寄生电感及寄生电容等所产生的过压、过热，从而使得芯片失效。长时间失效又可以分为键合线失效与焊层失效。相关研究表明，键合线在失效过程中由于自身尺寸的改变会导致电阻增加，在相同的通流条件下会产生更多的热量，从而导致键合线温度的升高，最终导致断裂，而一根键合线的断裂也会加速剩余键合线的断裂，然而，键合线温度升高对于芯片整体的温度影响很小。焊层是除键合线外，直接与芯片接触的组成部件，它对芯片温度的影响最为严重。焊层发生老化的形式是产生空洞，产生的原因是由于芯片与焊层的热膨胀系数不同，在相同的温升条件下会产生不同的形变，从而焊料发生失效。空洞在老化过程中会不断的扩大，空洞的出现会直接减少芯片的散热路径，使得芯片的温度局部升高，从而导致芯片过热失效。因此，检测出功率器件的焊层老化状态对于器件的可靠运行具有重大的意义。

[0004] 现有技术中，可以通过焊层老化会导致结温升高的特性来研究焊层的老化程度，但是无法获取焊层的老化形貌。当有焊层老化产生空洞后，功率器件的结温会升高，空洞的面积越大，相较于未老化时，结温的升高就越大，因此，可以比较测量的结温与未老化状态时的结温来判断老化程度，得知器件开始老化及老化的程度，无法获取具体形貌。

[0055] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

[0056] 需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

[0057] 实施例一

[0058] 本发明所实现的焊层老化形貌检测方法是基于功率器件芯片表面的温度，这是由于焊层空洞会改变芯片的散热路径，在功率器件未老化时，由于热耦合的原因，芯片中心的温度较高于周围温度，芯片从中心向四周的热流密度的降低呈现是线性的关系。当焊层老化出现空洞时，空洞上方芯片的热量需要向四周传导，这将导致在焊层老化与未老化的分界线处会有更多的热量需要传导，这也使得空洞上方的结温会更高，也会在分界线处有着更高的热流密度，在此处的热流密度则呈现出指数下降的现象。因此，可以通过观测芯片表面的热流密度分布来检测出焊层空洞的边界，从而确定焊层的形貌。

[0059] 首先，通过有限元建立功率器件的电热仿真模型，分析功率器件在没有老化时的温度分布以及温度梯度的分布。在这里建立的有限元模型可以忽略键合线，根据相关研究与实验证明，键合线会导致芯片的局部即在与芯片连接的位置温度升高，但是其上升的温度约在2‑3℃左右，对于功率器件的芯片工作在120℃时，这里忽略的由键合线导致的温升可以忽略不计。当忽略了键合线时，将功率器件运行过程中的损耗加载在整个芯片上，均匀分布。在热扩散的过程中，焊层没有老化时，热的传导绝大多数是向下传导，但也并非理想地竖直向下，它与数值方向存在着一个夹角，也被称为扩散角，这将导致芯片的温度达到稳态时，芯片中心的温度会高于四周的温度并且中心温度向四周的方向是逐渐递减的。根据有限元建模的仿真结果，以及傅里叶公式计算出的芯片热分布，都可以得到在焊层未老化时，芯片中心到四周的温度分布规律为二次函数关系，同时也可以得出芯片中心到四周的热流密度分布规律为一次函数的关系。因此，在获取芯片温度的分布图片后，若芯片温度分布呈现二次函数关系，温度梯度呈现一次函数关系，则可认为该处的焊层没有老化。

[0060] 其次是建立功率器件焊层老化后的有限元模型，分析老化后功率器件芯片的温度分布以及温度梯度分布。根据功率器件焊层老化产生空洞的位置可以将焊层老化的方式分为两种，分别是中心处老化以及边界处老化。

[0061] 当焊层中心处发生老化产生空洞时，由于空洞的热传导系数相较于焊层可以忽略不计，空洞上方芯片产生的热量无法向下传导，只能够向四周扩散，空洞上面的热扩散方向也决定了空洞上方芯片的温度要高于芯片四周的温度。当热量扩散到空洞的边界处，芯片下存在焊层时，热量则会向下方传导。由于芯片的功率损耗是均匀设置的，在空洞的边界处，同样会产生热量，在空洞边界处则会有空洞上方芯片传递在此处以及此处自身产生的热量，根据热流密度的定义，此处的热流密度则会高于下方存在焊层的芯片的热流密度。根据有限元的仿真结果可以发现，在空洞的边界处的热流密度呈现指数下降的规律，并且在老化的边界处热流密度是最高的。在功率器件焊层未老化的芯片表面，温度分布依然是二次函数的关系以及温度密度是一次函数。因此，可以通过获取功率器件芯片表面的温度，计算表面的温度密度，若存在一处的温度密度远高于其他位置，并且是指数关系的增加，则可以认定此处为老化空洞的边界。

[0062] 当焊层的边界老化产生空洞时，由于边界处芯片产生的热量无法向下传导，只能够向芯片中心扩散，与焊层中心存在空洞时的情况一样，边界空洞上芯片产生的热量与芯片中心自身产生的热量会在焊层边界空洞的周围处汇聚，此时，空洞周围的热流密度就会增加。同样地，热流密度的增加量与边界空洞的面积有关，当空洞面积较大时，热流密度就会更大，相反地就会更小，但热流密度的变化也呈现出指数的规律。根据焊层未老化时热量扩散的规律，即使焊层边界老化，边界处芯片产生的热量会向中心传导，芯片中心的热量会向边界扩散，因此，当两者的热流密度相同时，芯片在空洞边界附近处会存在一个零温度梯度面，在此界面处，只有竖直向下传导的温度梯度，没有水平面也即芯片表面平面上的传导，在此处的芯片温度也是最低的，可以根据此规律来确定当边界存在空洞时的形貌。

[0063] 最后是根据上述得到的功率器件焊层的老化状态与芯片之间的规律，在得知芯片表面温度情况下，推算出焊层的老化形貌。根据上述的分析可知，焊层发生老化产生空洞后，对芯片温度分布的影响是由焊层老化的形貌决定的，且焊层老化空洞与芯片表面的关系是一一对应的，因此由芯片表面温度识别焊层的老化状态是完全可行的。

[0064] 实施例二

[0065] 一种基于功率器件表面温度检测焊层老化形貌的方法，包括以下步骤：

[0066] 步骤一：建立未老化功率器件的有限元仿真模型，获取功率器件未老化(即焊层的形貌是完整)时表面温度及热流密度与完整形貌之间的规律。

[0067] 本发明所建立的未老化功率器件的有限元仿真模型为一种IGBT器件，其几何模型如图2所示。在该模型中省略了键合线的建模，因为它对芯片表面温度的影响相较于芯片工作时的温度可以忽略不计。在此模型中，150W的损耗均匀地加载在芯片中，且在模型基板底部设置5000W/(m＾2K)对流系数来模拟器件的散热，由于此发明只关心焊层空洞对于温度及热流密度的影响，所以此处求解的是器件传热的稳态。

[0068] 由于是研究传热的规律，只有IGBT器件中间BDC上的芯片被研究，其表面的温度分布如图3(a)所示及热流密度分布如图3(b)所示。为更直观地获取温度与热流密度的规律，图4中，芯片表面几条直线位置的温度被读取。从图中可以看出当焊层未发生老化时，在不同的位置，芯片表面的温度分布具有一定的规律。对温度曲线进行拟合得出，温度的分布满足二次函数关系，也即热流密度的分布是线性的关系。

[0069] 步骤二：建立老化后功率器件的有限元仿真模型，获取功率器件老化后(即焊层的形貌中出现不同的空洞)的表面温度及热流密度随着老化形貌的改变而发生相应变化的规律。

[0070] 此步骤的有限元建模设置的边界条件与步骤一中相同，不同的在于焊层的几何模型。焊层的老化形式可以分为中心及边界，因此，在此步骤中依次按这两种方式进行建模。

[0071] 首先是焊层从中心开始老化的建模，所建立的有限元几何模型如图5所示，阴影部分表示还未老化的焊层，即图中最外层为芯片的边界，中间为空洞的边界。稳态的温度分布如图6(a)所示，从图中可以看出当焊层老化产生空洞时，其上方的芯片的温度会显著增高。稳态的热流密度分布如图6(b)所示，从图中可以看出芯片的传热方向仍然是由中间指向四周，这与焊层未老化时的方向近似的，但焊层有老化时，空洞上方芯片以及空洞边界处的热流密度的数值较大。为更明显地体现出空洞对温度的影响，对芯片表面的温度进行了采样，采样位置如图7(a)所示，采样的温度曲线如图7(b)所示。图7(b)中，上方两条曲线是经过空洞即老化区域的温度，下方两条曲线是未老化区域的温度。从图中可以得出，老化后芯片的温度在空洞的边界附近有指数性增长的趋势，且在边界处的增长速率是最大的，而下面两条曲线的温度变化规律与焊层未老化时的规律是相同的，都类似于二次函数的变化。这将作为检测焊层老化状态的重要依据。

[0072] 其次是焊层从边界处开始老化的建模，所建立的有限元几何模型如图8所示，图中阴影部分表示还未老化的焊层。稳态的温度分布如图9(a)所示，从图中可以看出焊层老化的边界上方的芯片温度会更高。稳态的热流密度如图9(b)所示，从图中可以看出芯片中心的热流向周围扩散，但是由于边界焊层老化的缘故，芯片边界的热流也会向中心扩散，这两个方向的热流会在焊层老化的边界附近相交，即两者相等，没有水平方向的热流，只有向焊层传导的热流，这是判断焊层边界老化的重要的判据之一。对芯片表面温度的采样位置如图10(a)所示，采样的温度曲线如图10(b)所示。与焊层中心老化的规律类似，焊层老化的边界处的热流密度呈现指数性变化，且变化最大的地方即为焊层老化的边界，对于未老化的区域，则依然是二次函数的关系。

[0073] 步骤三：获取老化后具有任意形貌的功率器件芯片表面温度，利用步骤一和步骤二中获取的表面温度及热流密度与老化形貌之间关系的规律，根据此表面温度判断出焊层的老化状态。

[0074] 对功率器件进行功率循环试验老化后得到的焊层形貌如图11所示，从图中可以看出焊层的边界以及中心都出现了空洞。本发明将对此焊层的形貌进行建模，根据有限元中芯片表面的温度检测出此焊层的形貌。

[0075] 对老化后功率器件所建立的有限元模型及芯片表面的温度如图12所示。随机对芯片表面的温度进行采样如图13(a)所示，分别使用实线和虚线表示，对应的温度分布曲线如图13(b)所示。在图13(b)中，根据之前步骤一与步骤二得出的焊层空洞对芯片温度分布的影响，分别使用虚线和实线标注了检测到的焊层空洞的边界。整个焊层真实的老化状态与采样全部芯片表面检测得到的老化状态如图14所示，从图中可以发现，通过芯片表面温度检测的焊层老化状态与真实的状态几乎相同，说明了本发明的实用性。

[0076] 实施例三

[0077] 一种基于功率器件表面温度检测焊层老化形貌的系统，包括：

[0078] 未老化模型建立模块：用于建立未老化功率器件的有限元仿真模型，获取功率器件未老化时表面温度及热流密度与完整形貌之间的规律；

[0079] 老化模型建立模块：用于建立老化后功率器件的有限元仿真模型，获取功率器件老化后表面温度及热流密度随着老化形貌的改变而发生相应变化的规律；

[0080] 老化形貌判断模块：用于获取老化后具有任意形貌的功率器件芯片表面温度，利用未老化模型建立模块和老化模型建立模块中获取的表面温度及热流密度与老化形貌之间关系的规律，根据此表面温度判断出焊层的老化形貌。

[0081] 本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD‑ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

[0082] 本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

[0083] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

[0084] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

[0085] 最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本发明后依然可对发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在发明待批的权利要求保护范围之内。