背景介紹

電動(dòng)汽車從電池到電動(dòng)機(jī)的功率轉(zhuǎn)換，需通過逆變器實(shí)現(xiàn)，功率模塊被視為核心部件。但功率模塊應(yīng)用條件苛刻，實(shí)際應(yīng)用工況下的三維變形全場(chǎng)表征測(cè)試分析，是功率模塊的失效機(jī)理和評(píng)估其可靠性的一種重要手段。此外，表征結(jié)果還可以為有限元分析（FEA）模型提供參考，并進(jìn)一步評(píng)估功率模塊的可靠性。

芯片連接焊料裂紋導(dǎo)致電源模塊失效

研究內(nèi)容

采用新拓三維XTDIC-MICRO顯微應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，搭配高放大倍數(shù)的立體顯微鏡，對(duì)功率模塊微小尺寸元器件進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)高精度和魯棒性地測(cè)試分析，獲得被測(cè)區(qū)域的整體變形分布。顯微DIC應(yīng)變測(cè)試分析結(jié)果對(duì)于發(fā)現(xiàn)功率模塊熱力學(xué)載荷下的薄弱環(huán)節(jié)非常有益，從而有助于加快整個(gè)可靠性評(píng)估過程。

XTDIC-MICRO顯微應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)

此外，XTDIC-MICRO顯微應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，基于立體數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）對(duì)功率模塊進(jìn)行全場(chǎng)變形表征和可靠性評(píng)估，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以為有限元分析（FEA）仿真模型提供可靠的證明，該模型可用于對(duì)功率模塊包進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估。

基于DIC的功率模塊全場(chǎng)變形表征

逆變器通常由薄膜電容器、功率模塊和液體冷卻板組成。電源模塊在運(yùn)行過程中會(huì)被功耗加熱，散熱器通常用于冷卻電源模塊。由三維結(jié)構(gòu)可看出，裸模和DBC分別通過焊料安裝在DBC和基板上。

逆變器整體結(jié)構(gòu)與分解圖

被測(cè)功率模塊的三維結(jié)構(gòu)

由于裸片在操作過程中產(chǎn)生的功耗，功率模塊將被加熱并產(chǎn)生溫度場(chǎng)?？紤]到單個(gè)材料的CTE不一致，可以觀察到功率模塊不可避免地發(fā)生變形。

功率模塊（a）變形前和（b）變形后的結(jié)構(gòu)

新拓三維XTDIC-MICRO顯微應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，應(yīng)用兩個(gè)電荷耦合器件（CCD）顯微鏡相機(jī)從不同角度獲得三維圖像。在CCD攝像機(jī)下安裝了一臺(tái)顯微鏡，以獲取電源模塊的散焦中無法察覺的變化。攝像頭獲取的圖像在DIC軟件進(jìn)行進(jìn)行分析處理，得到功率模塊的變形分布，從處理結(jié)果中可以觀察到翹曲和變形等熱機(jī)械現(xiàn)象。

平面內(nèi)應(yīng)變的確定仍然需要平面外信息“Z”軸的變形。因此，通過XTDIC-MICRO顯微應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的三維全場(chǎng)變形對(duì)于確定功率模塊的應(yīng)變場(chǎng)至關(guān)重要。

DIC定向變形測(cè)量設(shè)置的配置

XTDIC-MICRO顯微應(yīng)變測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置

基于紅外的溫度和變形測(cè)量相機(jī)和DIC方法

電源模塊平面外變形特征分析

當(dāng)電流流過裸片時(shí)，平面外隨著溫度的升高，變形逐漸增大。平面外選定點(diǎn)的變形和溫度為6μm和90°C。平面外的分布變形在裸模的表面上顯示出梯度。由于裝配約束，平面外變形在負(fù)z軸上受到限制。

平面外變形的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分布和溫度變化如下圖所示：

顯微DIC應(yīng)變測(cè)量分析：平面外變形特征的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了演示全場(chǎng)三維變形平面外變形分布的重構(gòu)如下圖所示：

全視場(chǎng)平面外散焦器的三維重構(gòu)信息。（a）穩(wěn)態(tài)期間測(cè)量的變形。（b）三維變形分布。

出現(xiàn)了最大平面外變形在聚焦區(qū)域的中間表面上，而聚焦區(qū)域承受的變形最小。

三維全場(chǎng)平面外變形的二維圖（a）xy平面和（b）xz平面中的裸片

功率模塊的平面內(nèi)變形特性

DIC全場(chǎng)測(cè)量也可以表征平面內(nèi)變形。平面內(nèi)變形x軸和y軸上的坐標(biāo)如圖25所示。對(duì)于接合在裸模表面上的鋁線x軸上的變形低于y軸上的形變。因此，考慮y軸上的平面內(nèi)變形作為功率模塊的實(shí)際平面內(nèi)變形。

（a）x軸和（b）y軸上變形的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

平面內(nèi)變形分布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（a） x軸和（b）y軸

有限元分析仿真模型的校準(zhǔn)

功率模塊的有限元仿真結(jié)果，包括溫度和變形分布顯示。很明顯，具有不同邊界條件的有限元分析模型，呈現(xiàn)出相似的溫度分配；不同邊界條件下的電源模塊呈現(xiàn)出明顯的變形分布。

具有邊界條件的有限元模型的溫度分布（a）情況a和（b）b

具有邊界條件的有限元模型的變形分布（a） 情況a和（b）b

模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較（a） 完整字段變形分布（b） 平面外變形的比較

模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在（a）x軸和（b）y軸上的平面內(nèi)變形比較

功率模塊最大的平面外變形發(fā)生在中間區(qū)域。DBC層產(chǎn)生的平面外變形小于其他層。此外，由于骨線的作用平面內(nèi)變形在x軸和y軸上是不同的。這個(gè)y軸上的平面內(nèi)變形被認(rèn)為是真實(shí)的自由膨脹狀態(tài)下的平面內(nèi)變形。

（a）裸模和（b）其他層的平面外變形分布

裸模在（a）x軸和（b）y軸上的平面內(nèi)變形分布

顯微dic應(yīng)變測(cè)試總結(jié)

1）電力中的電熱機(jī)械相互作用，電源模塊不可避免地會(huì)導(dǎo)致變形，這是導(dǎo)致電源模塊故障的關(guān)鍵。因此，現(xiàn)場(chǎng)全現(xiàn)場(chǎng)變形特征對(duì)于指導(dǎo)包裝至關(guān)重要設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

2）采用新拓三維XTDIC-MICRO顯微應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，全場(chǎng)變形測(cè)量結(jié)果可為有限元分析仿真模型提供校準(zhǔn)，評(píng)估有限元模擬的準(zhǔn)確性模型，以便優(yōu)化封裝設(shè)計(jì)，以減輕功率電源模塊的變形。

3）除此之外，DIC全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量方法允許測(cè)量三維變形分布，其包括平面內(nèi)變形和平面外變形。

4）將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，可以對(duì)有限元分析模型的進(jìn)行校準(zhǔn)，基于DIC的方法可以優(yōu)化功率模塊封裝的設(shè)計(jì)，以追求更高的可靠性和更長的壽命。

案例摘自：【Peng Sun, Chongqing University, the State Key Laboratory of Power Transmission Equipment and System Security and New Technology.In Situ Full-Field Deformation Characterization ofPower Module and FEA Model Calibration Based on Stereo Digital Image Methodology】