功率循环测试中衬底焊接层的可靠性

基板与陶瓷衬底之间的焊层寿命通常利用IGBT模块的被动加热和冷却(热循环)来测试,但这种试验会引起焊层失效(分层)。实际应用中,IGBT和二极管芯片是主动被加热的,诸如焊线脱落等其它模式的失效也会限制使用寿命,通常可通过功率循环试验来评估这种应力的影响。本文通过功率循环试验来评估衬底焊层的失效,利用高循环周次的测试进行有效的衬底焊层热循环试验,其关键在于功率循环过程中焊层温度的预测。在温度波动不大的条件下,比较了被动热循环和主动功率循环时对焊接寿命的影响。     

基于功率循环的功率器件寿命评估快速工程方法

介绍了工程中常用的4种基于主动功率循环的半导体功率器件寿命评估模型,针对这些模型存在忽略功率器件封装与实际工况复杂性的问题,提出用于寿命评估的功率循环试验更适合基于器件退化而非器件失效来选定阈值的观点,并给出了快速完成实际工况模式下基于器件退化的功率循环试验的阈值设定方法,功率器件寿命评估快速公式和残余寿命评估方法。该方法在工程实践中可以快速低成本地评估功率器件的寿命。     

IGBT模块功率循环能力与可靠性试验

为验证IGBT模块的可靠性,分析了IGBT模块的封装结构,并在传统IGBT模块功率循环试验的基础上建立新的模型,通过具体的试验得到IGBT模块功率循环后失效状况,并对该状况进行分析。相对传统IGBT寿命预测和可靠性评估,该功率循环的新方法更加贴合实际应用工况,对IGBT失效分析具有借鉴作用。     

宽禁带功率器件键合缓冲技术的可靠性分析

在电力电子应用中,性能优于硅功率器件的宽禁带功率器件得到广泛关注。然而,传统功率器件封装中的芯片顶部的电气互连结构现在已成为限制宽禁带功率器件寿命的主要因素。因此,有必要通过使用键合缓冲技术将铜键合线、焊带和引线框架来代替铝键合线作为芯片顶部的电气互联以满足宽禁带功率器件在高温工作条件下的要求。文章回顾了不同键合缓冲技术和金属键合材料在功率循环测试中的可靠性表现。其中,因瓦合金键合缓冲材料与铜键合线的结合在众多键合材料中显示出最强大的功率循环测试能力。失效分析显示,宽禁带功率器件封装的薄弱点已经从芯片顶部的键合材料变为氧化铝陶瓷衬底或芯片上表面的铝金属层。     

基于沟道状态的SiC MOSFET器件浪涌能力研究

得益于技术的进步,SiC MOSFET器件中的体二极管可靠性有极大的提升,并在部分领域和模块中取代了续流二极管。文章基于浪涌电流试验,对不同沟道状态下SiC MOSFET器件浪涌能力进行了深入研究。首先,搭建了浪涌电流试验平台,对CREE和Infineon两家公司的器件进行了浪涌电流试验;然后,测量和对比了试验前后器件的阈值电压、导通电阻、体二极管电压和漏极漏电流等特性的变化;最后,通过超声波扫描显微镜观察了器件失效前后内部结构的变化,并分析了器件的失效原因。试验结果表明,SiC MOSFET器件在浪涌电流冲击下,栅极可靠性和金属层可靠性共同决定了器件的可靠性:一方面,栅极可靠性高的器件,沟道导通有利于降低最高结温,提高浪涌电流下的可靠性;另一方面,栅极可靠性低的器件,沟道的关闭有利于保护栅极。     

60N U71MnG钢轨轨头裂纹成因分析

对线路探伤检查发现的60N U71MnG重伤钢轨进行磁粉检测复核，在钢轨轨头工作边侧表面发现了裂纹。为查明裂纹产生的原因，人工压断裂纹钢轨并取样，对裂纹处断口进行宏观形貌观察、扫描电镜观察及能谱分析，以获得裂纹断口的形貌特征和伤损特点；对试样进行显微组织观察和维氏硬度检验，以分析裂纹的成因和机理，并在考虑温度拉应力和列车动弯应力作用下，对钢轨受力及裂纹萌生机理进行仿真分析。结果表明：钢轨轨头工作边侧表面裂纹为冷态下形成的外伤，裂纹及其附近部位曾受到过剧烈摩擦产生高温并发生相变产生了马氏体组织；当轨温为-33℃时，在温度拉应力和列车产生的动弯应力的共同作用下，白层马氏体表面中心偏下位置的拉应力为417.6 MPa，裂纹易从钢轨表面中心萌生，其尖端应力强度因子KI为28.9 MPa·mm1/2，高于钢轨断裂韧性KIC的最小单值，因此钢轨在经历很短的循环载荷周次后便从白层马氏体处发生裂纹失稳扩展。     

基于铜夹互连的双芯片功率器件的热力机械性能研究

传统的功率半导体器件封装结构通常会采用铝（Al）线键合，这就导致了器件电路寄生电感大和可靠性问题，限制了碳化硅（SiC）功率器件的发展。有研究人员提出了一种新型的铜夹互连工艺，可实现双面散热和提高器件的功率密度，但目前的研究主要集中在其热性能和可靠性方面，缺少对结构设计的优化研究。因此，有必要对多芯片铜夹互连的结构优化设计开展进一步研究。文章针对铜夹功率器件重要的结构参数对芯片应力集中的影响进行了仿真研究。结果表明，铜夹厚度对芯片应力集中影响最大，而铜夹跨度影响最小。对比采用焊料层应力最小的结构参数建立铜夹器件模型与对应的引线模块，可发现在功率循环下，铜夹器件的铜夹和焊料层的疲劳寿命相比于引线模块提升了10倍以上，并且卸荷槽对提升铜夹器件疲劳寿命有显著影响。     

车体用铝合金焊接接头疲劳性能试验研究

由于铝合金焊接接头的疲劳性能与钢相比要差,疲劳断裂是铝合金焊接结构失效的主要方式之一.文中采用疲劳试验的方式研究铝合金焊接接头的疲劳性能.研究结果表明：积累到晶界的位错是造成局部应力集中并导致裂纹产生的主要原因;材料中产生的空穴往往是裂纹萌生的源头;焊接缺陷气孔和未焊透造成试件在几何形状上的不连续和截面面积的减小,会导致应力集中现象产生,降低试件疲劳性能.     

高速铁路钢轨疲劳过程的超声非线性系数表征

在U71Mn钢轨截面上不同位置取9个带有燕尾状缺口的试件进行三点弯曲疲劳试验和超声波非线性检测,提取试件在不同疲劳加载循环次数下超声波的基波幅值和二次谐波幅值,据此计算钢轨疲劳过程的超声非线性系数,并用扫描电镜和金相显微镜观察对应试件表面的微观形貌,研究超声非线性系数与钢轨疲劳裂纹萌生和扩展的关系。结果表明:在钢轨疲劳过程中,超声非线性系数呈规律性变化;在试件疲劳的初期,超声非线性系数缓慢升高,当疲劳加载循环次数达到7万次以后超声非线性系数开始快速增长,对应的试件开始萌生裂纹,到9万次以后试件的裂纹开始生长,当疲劳加载循环次数达到11万次时超声非线性系数达到峰值,然后随着疲劳加载循环次数的继续增加,超声非线性系数开始呈降低趋势,并在13万次时裂纹已经生长为3mm长的宏观裂纹,这说明超声非线性系数对钢轨疲劳过程中裂纹的萌生和扩展的变化非常敏感,验证了超声非线性系数用于表征U71Mn钢轨疲劳损伤过程的有效性。     

新型气缸盖零件试验台

现代动力总成在要求提高升功率的同时,还要求显著减轻单个部件的质量,这就要求针对所发生的部件失效过程及其失效机理寻找出详细的内在因素。为能及时低成本地进行零件试验,并获得其失效图像,IABG公司开发成功一种用于零件热力一机械试验的新型气缸盖试验台,它能用于检验和开发气缸盖的快速试验循环,因为只有通过整体的现场裂纹识别,才能实现早期的失效识别和失效追踪。     

循环温度荷载下无砟轨道结构模型试验研究

为研究循环温度荷载下无砟轨道结构层间离缝产生与扩展规律,以及离缝对轨道结构受力性能的影响,制作了三跨无砟轨道-简支梁桥结构1/4缩尺模型,开展了18次循环温度荷载试验。并在循环温度试验前后分别对结构进行了2次静力加载试验,对比分析结构体系受力特性发生的变化。试验结果表明:循环温度荷载作用下,梁端处轨道板与CA砂浆之间产生离缝,并向跨中呈“阶梯状”逐渐延伸,历经萌生、扩展和稳定三个阶段。随离缝长度增加,相同温度荷载下,梁体上拱度逐渐减小,而轨道结构上拱度逐渐增大,在离缝的萌生、扩展和稳定三个阶段,轨道结构的刚度呈现慢-快-慢的速度逐渐减小。经18次循环温度荷载作用后,轨道结构的刚度降低了14. 96%,无砟轨道-桥梁结构体系整体刚度降低了2. 52%。     

司机控制器可靠性试验装置

根据可靠性理论,由司控器的功能和工作原理出发,设计由司控器动作试验台、微机柜和负载柜3部分组成的司控器可靠性试验装置。介绍可靠性试验的流程、动作周期及循环方式,分析试验前的要求,以及试验中与试验后的检测项目、失效判据、失效时间确认方法,探寻提高司控器可靠性水平的途径。     

铁路继电器温度加速寿命试验方案设计与分析

铁路继电器是铁路设备中的关键器件,它在运行中的可靠性与安全性是确保各种自动控制设备正常工作的保证。分析影响铁路电器正常工作的主要环境因素,对铁路继电器在温度应力和振动应力下机械特性和电气特性的失效机理进行研究。为了更快速、准确的了解其振动和温度应力作用下的可靠性寿命,设计在规定随机振动应力下施加4个温度水平的加速寿命试验方案,确定铁路继电器在机械特性和电气特性2方面的失效判据,机械参数、电气参数、触头动作特性和表面形貌的三维参数是对继电器的失效判据和分析的必备数据。根据铁路继电器的失效寿命特性确定失效寿命分布与可靠性统计模型,并进一步阐述了无失效试验数据的可靠性分析方法。     

一种改进的二电平IGBT变频器损耗计算方法

功率器件的导通和开关特性对温度较为敏感,计算损耗时应综合考虑结温和散热条件因素。文章通过Matlab循环调用功率器件损耗计算程序和ANSYS温度场计算程序,以实现二电平变频器损耗的精确计算。该方法可为功率器件损耗的准确计算和散热器的优化设计提供依据。     

重载列车紧急制动过程车轮踏面疲劳裂纹萌生寿命预测

基于Abaqus软件,建立闸瓦-车轮-轨道三维有限元模型,设置车轮钢材料的接触属性和材料属性,对重载列车紧急制动过程进行热力耦合仿真;基于损伤参量的疲劳裂纹萌生寿命预测模型,分析重载列车整个紧急制动过程中车轮踏面瞬态温度分布、径向和切向应力分布以及弹性和塑性应变分布,并通过计算车轮踏面损伤参量判断疲劳裂纹萌生位置,预测不同轴重和不同闸瓦压力对车轮踏面疲劳裂纹萌生寿命的影响。结果表明:重载列车紧急制动时,车轮踏面上制动温度越高则相应热应力、热应变也越大,尤其当踏面最高温度超过100℃时,热负荷对裂纹萌生的影响更加显著;车轮踏面上裂纹萌生更多的是由剪应力和剪应变引起,轮轨接触斑内是最先萌生裂纹的区域;轴重为30 t、闸瓦压力为21 kN、初速度为100 km·h~(-1)时损伤参量最大为3.801 1,最大循环制动次数仅有236次。     

大功率半导体器件的可靠性评估

文章从可靠性的数学、物理基础出发,描述了现代可靠性工程,介绍了功率半导体的可靠性问题。以4045型IGCT器件为例,阐述了3种重要的加速试验,得到了相应的失效率曲线,给出了计算实例。     

基于损伤累积和权重参数的重载铁路曲线内轨裂纹萌生特征及剥离掉块分析

基于单轮对荷载作用下钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的预测方法,结合疲劳损伤累积理论,提出基于疲劳损伤累积的钢轨裂纹萌生寿命预测方法,确定转向架前、后轮对累积荷载作用下重载铁路曲线内轨裂纹的萌生寿命及其特征;构造权重参数,用以表征前、后轮对在内轨裂纹萌生过程中各自的作用权重。采用SIMPACK仿真软件建立C70型货车、LM型车轮踏面、U75V钢轨构成的车辆—轨道模型,预测不同曲线半径、超高、轨底坡和摩擦系数工况下内轨裂纹的萌生寿命、萌生位置和开裂方向、权重参数,并与现场试验进行对比。结果表明:内轨裂纹的萌生要早于外轨,并发生在距离轨顶约2~3mm的轨头次表面,车轮对内轨的磨耗作用不大;在内轨裂纹的萌生过程中,随着轨道条件的变化,轮对的权重取值范围可以划分为3个区域,分别对应前轮对作用权重绝对大和相对大以及后轮对作用权重相对大3类情况;大多数内轨裂纹的开裂方向分布在一定的范围之内,但有少部分裂纹的开裂方向异常且在扩展过程中容易产生剥离掉块。     

车轮铸钢热疲劳裂纹损伤行为研究

确定了车轮铸钢循环温度范围与循环次数间幂指数关系。其热疲劳损伤有两种主要形式；在低循环上限温度，表面氧化轻微，形成少量表面氧化腐蚀坑；在高循环上限温度，表面氧化严重厚氧化膜剥落，大量的氧化腐蚀坑及微裂纹形成，并连接成细长主裂纹。表面氧化对热疲劳裂纹扩展有重要作用。     

RD3A1车轴卸荷槽部位腐蚀裂纹的失效分析

在现场调研的基础上,对典型失效样品进行了失效分析,对表面腐蚀坑、裂纹进行了宏观和微观分析,表明裂纹是从表面腐蚀坑处萌生,沿着大体垂直于表面的方向向内穿晶扩展。结合RD3A1车轴卸荷槽部位的结构特点,阐述了车轴轴颈卸荷槽部位裂纹产生的机理,为制定有效的预防措施提供了可靠的依据。     

功率IGBT模块的可靠性分析

介绍了功率模块的现状、封装过程、可靠性及其失效规律,论述了研究模块可靠性的标准试验方法如耐力试验和环境试验,讨论了模块的主要失效机制如键合引线失效、表面金属化重建、焊料疲劳和衬底分层等。