Modelling thermomechanical stresses in power semiconductor modules for cyclic lifetime estimation

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Master's thesis

Authors

Date

2025-05-12

Department

Major/Subject

Electrical Power and Energy Engineering

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Automation and Electrical Engineering

Language

en

Pages

75

Series

Abstract

This thesis investigates the utilisation of simulated thermomechanical stresses for lifetime estimation of IGBT modules under combined power and thermal cycling accelerated life test conditions. Power semiconductor modules are widely used in applications where they are exposed to harsh environments, causing reliability challenges, such as thermomechanical fatigue. In this thesis, a thermomechanical simulation model was implemented in ANSYS Mechanical, and the simulation results were compared to experimental lifetime test results in a combined power and thermal cycling test (BiCycle). Thermomechanical stress simulations for the IGBT module provided detailed insights into the thermo-mechanical behaviour inside the IGBT module during a combined power and thermal cycling profile. From thermomechanical simulations, stress-strain hysteresis from die attach interconnect corner nodes was studied for the accumulation of strain energy density for lifetime estimation using the Darveaux model. Lifetime estimations based on thermomechanical simulations using the Darveaux model were found to be more accurate than lifetime estimation from experimental tests using the Coffin-Manson-Arrhenius based CIPS2008 lifetime model.

Tässä diplomityössä tutkittiin simuloitujen termomekaanisten rasitteiden hyödyntämistä tehopuolijohdemoduulien eliniän määrittämisessä yhditettyyn teho- ja lämpösykliin pohjautuvassa kiihdytetyssä elinikätestissä. Tehopuolijohdemoduuleja käytetään laajasti teollisuuden sovelluksissa, joissa ne altistuvat vaativille olosuhteille aiheuttaen luotettavuushaasteita, kuten termomekaanista väsymistä. Tässä työssä toteutettiin IGBT-moduulille termomekaaninen simulointimalli ANSYS Mechanical ohjelmistolla ja simulointituloksia verrattiin kokeellisiin elinkikätuloksiin yhdistetyssä teho- ja lämpösyklitestissä (BiCycle). IGBT-moduulin termomekaaniset simuloinnit antoivat tietoa moduulin mekaanisesta käyttäytymisestä yhdistetyn teho- ja lämpösykliprofiilin aikana. Simulointituloksista tulkittiin IGBT sirun juotosten kulman solmupisteiden jännitys-venymä-hystereesiä, ja niiden avulla arvioitiin muodonmuutosenergiatiheyttä eliniän ennustamiseksi Darveaux’n mallin avulla. Termomekaanisiin simulointeihin perustuvat eliniän arviot osoittautuivat tarkemmiksi kuin kokeellisiin elinikätesteihin pohjautuvat eliniän arviot, jotka tehtiin CIPS2008-eliniämallia käyttäen.

Description

Supervisor

Vuorinen, Vesa

Thesis advisor

Leppänen, Joonas

Keywords

IGBT-module, reliability, failure mechanisms, thermomechanical simulations, lifetime modelling, accelerated life testing

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202506275309

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC