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显微DIC测量技术用于电源模块全场变形表征及有限元模型校准

背景介绍

电动汽车从电池到电动机的功率转换,需通过逆变器实现,功率模块被视为核心部件。但功率模块应用条件苛刻,实际应用工况下的三维变形全场表征测试分析,是功率模块的失效机理和评估其可靠性的一种重要手段。此外,表征结果还可以为有限元分析(FEA)模型提供参考,并进一步评估功率模块的可靠性。

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芯片连接焊料裂纹导致电源模块失效

研究内容

采用新拓三维XTDIC-MICRO显微应变测量系统,搭配高放大倍数的立体显微镜,对功率模块微小尺寸元器件进行综合实验测试,实现高精度和鲁棒性地测试分析,获得被测区域的整体变形分布。显微DIC应变测试分析结果对于发现功率模块热力学载荷下的薄弱环节非常有益,从而有助于加快整个可靠性评估过程。

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XTDIC-MICRO显微应变测量系统

此外,XTDIC-MICRO显微应变测量系统,基于立体数字图像相关(DIC)对功率模块进行全场变形表征和可靠性评估,实验结果还可以为有限元分析(FEA)仿真模型提供可靠的证明,该模型可用于对功率模块包进行进一步评估。

基于DIC的功率模块全场变形表征

逆变器通常由薄膜电容器、功率模块和液体冷却板组成。电源模块在运行过程中会被功耗加热,散热器通常用于冷却电源模块。由三维结构可看出,裸模和DBC分别通过焊料安装在DBC和基板上。

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逆变器整体结构与分解图
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被测功率模块的三维结构

由于裸片在操作过程中产生的功耗,功率模块将被加热并产生温度场。考虑到单个材料的CTE不一致,可以观察到功率模块不可避免地发生变形。

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功率模块(a)变形前和(b)变形后的结构

新拓三维XTDIC-MICRO显微应变测量系统,应用两个电荷耦合器件(CCD)显微镜相机从不同角度获得三维图像。在CCD摄像机下安装了一台显微镜,以获取电源模块的散焦中无法察觉的变化。摄像头获取的图像在DIC软件进行进行分析处理,得到功率模块的变形分布,从处理结果中可以观察到翘曲和变形等热机械现象。

平面内应变的确定仍然需要平面外信息“Z”轴的变形。因此,通过XTDIC-MICRO显微应变测量系统测量的三维全场变形对于确定功率模块的应变场至关重要。

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DIC定向变形测量设置的配置
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XTDIC-MICRO显微应变测量实验装置
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基于红外的温度和变形测量相机和DIC方法

电源模块平面外变形特征分析

当电流流过裸片时,平面外随着温度的升高,变形逐渐增大。平面外选定点的变形和温度为6μm和90°C。平面外的分布变形在裸模的表面上显示出梯度。由于装配约束,平面外变形在负z轴上受到限制。

平面外变形的实验结果分布和温度变化如下图所示:

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显微DIC应变测量分析:平面外变形特征的实验结果

为了演示全场三维变形平面外变形分布的重构如下图所示:

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全视场平面外散焦器的三维重构信息。(a)稳态期间测量的变形。(b)三维变形分布。

出现了最大平面外变形在聚焦区域的中间表面上,而聚焦区域承受的变形最小。

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三维全场平面外变形的二维图(a)xy平面和(b)xz平面中的裸片

功率模块的平面内变形特性

DIC全场测量也可以表征平面内变形。平面内变形x轴和y轴上的坐标如图25所示。对于接合在裸模表面上的铝线x轴上的变形低于y轴上的形变。因此,考虑y轴上的平面内变形作为功率模块的实际平面内变形。

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(a)x轴和(b)y轴上变形的实验结果
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平面内变形分布的实验结果(a) x轴和(b)y轴

有限元分析仿真模型的校准

功率模块的有限元仿真结果,包括温度和变形分布显示。很明显,具有不同边界条件的有限元分析模型,呈现出相似的温度分配;不同边界条件下的电源模块呈现出明显的变形分布。

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具有边界条件的有限元模型的温度分布(a)情况a和(b)b
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具有边界条件的有限元模型的变形分布(a) 情况a和(b)b
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模拟结果与实验结果的比较(a) 完整字段变形分布(b) 平面外变形的比较

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模拟和实验结果在(a)x轴和(b)y轴上的平面内变形比较

功率模块最大的平面外变形发生在中间区域。DBC层产生的平面外变形小于其他层。此外,由于骨线的作用平面内变形在x轴和y轴上是不同的。这个y轴上的平面内变形被认为是真实的自由膨胀状态下的平面内变形。

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(a)裸模和(b)其他层的平面外变形分布

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裸模在(a)x轴和(b)y轴上的平面内变形分布

显微dic应变测试总结

1)电力中的电热机械相互作用,电源模块不可避免地会导致变形,这是导致电源模块故障的关键。因此,现场全现场变形特征对于指导包装至关重要设计和优化。

2)采用新拓三维XTDIC-MICRO显微应变测量系统进行测试,全场变形测量结果可为有限元分析仿真模型提供校准,评估有限元模拟的准确性模型,以便优化封装设计,以减轻功率电源模块的变形。

3)除此之外,DIC全场应变测量方法允许测量三维变形分布,其包括平面内变形和平面外变形。

4)将模拟结果与实验结果进行比较,可以对有限元分析模型的进行校准,基于DIC的方法可以优化功率模块封装的设计,以追求更高的可靠性和更长的寿命。

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】


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