寿命预测模型

优点

缺点

LESIT模型 [29]

$N_f=A\cdot \Delta T_j{}^{-\alpha }\cdot {\text{e}}^{E_{\alpha }/\left(k_B{T}_m\right)}$

式中，k_B为玻尔兹曼常数(1.380 × 10⁻²³ J/K)，E_a为激活能(9.89 × 10⁻²⁰ J)，A、α为模型参数，ΔT_j为IGBT结温变化，T_m为平均温度。

在Coffin-Manson定理中加了一个Arrhenius因子，该因子有一个与激活能和平均温度有关的指数项，因此可以一定程度上克服Coffin-Manson定理的一些缺点；LESIT模型也跟失效机理有一定关系，因为ΔT_j与塑性形变有关。

只有温度变化差值而没有体现绝对温度高低对器件的影响，因此在不同的试验条件下误差可能较大。

Norris-Landzberg模型 [30]

$N_f=A\cdot f^{-n_2}\cdot \Delta T_j{}^{-n_1}\cdot {\text{e}}^{E_{\alpha }/\left(k{T}_m\right)}$

式中，k为玻尔兹曼常数(1.380 × 10⁻²³ J/K)，E_a为激活能(9.89 × 10⁻²⁰ J)，A、n₁、n₂为模型参数，f为功率循环周期，ΔT_j为IGBT结温变化，T_m为平均温度。

在LESIT模型的基础上加入了功率循环周期这一参数，可以有效的反应温度变换周期对于寿命的影响。

主要在于将功率循环的影响只反应在循环周期一个常数上。然而在实际的功率循环中，结温的停留时间、斜坡上升时间以及循环时间都是重要的影响因素。与此同时这种模型也多用于温度循环等被动加热的情况，应用在主动加热的功率循环实验往往也会有较大误差。

改进的Coffin-Manson与LESIT模型 [31]

$N_f=n_1{\left(\frac{\Delta T_c}{t_{on}}\right)}^{n_2}\Delta T_c^{n_3}{I}_c^{n_4}{\text{e}}^{\frac{E_a}{k{T}_m}}$

式中：n₁，n₂，n₃，n₄为模型参数，k、E_a、T_m与LESIT模型中相同，ΔT_c为IGBT结温变化，t_on为每个温度循环中IGBT器件的导通时间；ΔT_c/t_on为温度变化速率；I_c为实验中模块的加热电流。

器件寿命受温度的波动范围和变化速率影响，而在循环温度和试验环境一定的情况下，关断时间为定量，所以模型中加入导通时间和加热电流参量，忽略通断时间，可以更加准确的预测器件的使用寿命。

在实际的功率循环实验中，结温差往往比较难以测量，导致结温变化和温度变化率两个模型参数的准确性受到影响，从而导致预测结果的偏差。

改进加速寿命模型 [32] [33]

$N_f=A{\left(\Delta T_j\right)}^{\alpha }{i}^{\beta }{\left(C_T{U}_{CE\max }+B\right)}^{\gamma }{\text{e}}^{\frac{Q}{R{T}_m}}$

式中，R为玻尔兹曼常数(1.380 × 10⁻²³ J/K)，Q为激活能(9.89 × 10⁻²⁰ J)，A、α、β、γ、C_T、B为模型参数，ΔT_j为IGBT结温变化，i为加速寿命试验中模块的加热电流，U_CEmax为发射极与集电极之间电压最大值，T_m为平均温度。

实际情况下IGBT器件结温测量很困难，操作性差，通过相关实验可知，焊接式IGBT键合线脱落后，集电极与发射极间电压U_CE与T_j有一定的线性数学关系，因此，通过引入U_CE参数改进了寿命预测模型，提高了模型的预测精度。

发射极与集电极之间电压U_CE与T_j的线性数学关系只适用于焊接式IGBT，对于压接型IGBT不适用，模型的适用范围有限。

CIPS08模型 [15]

$N_f=K\cdot \Delta T_j{}^{{\beta }_1}\cdot {\text{e}}^{{\beta }_2/T_{low}}\cdot t_{on}^{{\beta }_3}\cdot I^{{\beta }_4}\cdot V^{{\beta }_5}\cdot D^{{\beta }_6}$

式中，K、β₁、β₂、β₃、β₄、β₅、β₆为模型参数，ΔT_j为IGBT结温变化，T_low为IGBT最低结温，t_on为加热时间，I为键合线上流过的电流，V为器件的电压范围(以0.001 V为单位)，D为键合线直径。

上述几种模型主要是基于结温差ΔT_j的预测模型，而在功率循环实验中，结温差的测量往往存在误差，CIPS08模型引入了加热时间、键合线流过电流等参量，可以有效的补偿由于结温差测量不准确带来的预测误差，并且在预测模型中加入了键合线直径等物理参量，提高了模型的预测精度。

CIPS08模型仅适用于Al₂O₃为衬底的焊接式模块；加热时间t_on也不宜选取过大，最好在十几秒以内，因为加热时间太长的话，失效机理会改变，模型预测不再准确；并且CIPS08模型中的各个参数不是相互独立的，不适用于单一改变某个参数而直接进行寿命预测；模型较为复杂，计算量大。