車用電子元器件失效機(jī)理研究及CAE仿真

周伯儒 楊陽

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

隨著各大家電企業(yè)陸續(xù)進(jìn)入新能源汽車空調(diào)領(lǐng)域，隨之帶來對(duì)空調(diào)產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性要求的提高，而作為汽車空調(diào)控制核心的電子電氣設(shè)備，由于在汽車行駛狀況下會(huì)受到振動(dòng)、沖擊、碰撞等多種機(jī)械力的綜合作用，在這種較為惡劣且持續(xù)的環(huán)境下，電子設(shè)備本身的使用壽命將受到很大影響，因此汽車空調(diào)電子電氣設(shè)備耐用度已經(jīng)成為車載空調(diào)產(chǎn)品的重要關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在引起機(jī)載電子設(shè)備失效的環(huán)境因素中，振動(dòng)因素占27%[1]，如何提高車用電子設(shè)備的耐用度，已成為國(guó)內(nèi)外汽車行業(yè)共同的發(fā)展目標(biāo)。

為了確保汽車空調(diào)電子元件抵抗振動(dòng)負(fù)載的能力，作為產(chǎn)品的重要組成單元，印制電路板是電子元件的關(guān)鍵承重載具。文獻(xiàn)[2]提出在設(shè)計(jì)初期，需要對(duì)關(guān)鍵電路板組件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析確定電路板組件的振動(dòng)特性，可在印制電路板設(shè)計(jì)階段就能有效避免不良振動(dòng)隱患。

本文基于汽車空調(diào)控制器用智能功率模塊引腳斷裂燒毀的故障問題，如圖1所示，采用試驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方法，開展了車用電子元器件失效機(jī)理研究，并最終提出了可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，取得較好技術(shù)應(yīng)用效果，同時(shí)為后續(xù)汽車空調(diào)控制器可靠性設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

圖1 汽車空調(diào)電器盒智能功率模塊引腳燒毀

2 失效機(jī)理研究

根據(jù)汽車空調(diào)電器盒故障樣件分析，表現(xiàn)為電器盒智能功率模塊引腳燒毀。通過X光檢查故障樣件中智能功率模塊燒毀位置處內(nèi)部引腳情況，結(jié)果顯示為引腳斷裂，因此初步判斷燒毀的誘因?yàn)橹悄芄β誓K引腳斷裂，導(dǎo)致引腳斷裂位置附近存在接觸電阻大，進(jìn)而引起打火現(xiàn)象，最終呈現(xiàn)智能功率模塊引腳燒毀現(xiàn)象，因此明確智能功率模塊引腳斷裂的失效機(jī)理是最終解決汽車空調(diào)電器盒智能功率模塊引腳斷裂問題的關(guān)鍵。

2.1 失效模式復(fù)現(xiàn)

結(jié)合文獻(xiàn)[3]提出的采用耐久試驗(yàn)考核產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞壽命等問題，考驗(yàn)產(chǎn)品在一定振動(dòng)環(huán)境下是否產(chǎn)生疲勞破壞、機(jī)械磨損等引起的壽命縮短或失效，因此根據(jù)汽車行業(yè)零部件級(jí)環(huán)境振動(dòng)耐久性要求高于整機(jī)的原則，最終參考汽車電子元器件振動(dòng)耐久性試驗(yàn)方法[4]對(duì)汽車空調(diào)用電器盒部件部品級(jí)進(jìn)行加速振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，以確認(rèn)是否能復(fù)現(xiàn)電器盒的失效模式。最終2套試驗(yàn)樣品經(jīng)X光檢查均表現(xiàn)為電器盒智能功率模塊引腳微裂紋，與故障失效位置吻合，如圖2所示，基本復(fù)現(xiàn)了前期出現(xiàn)的故障模式，鎖定為環(huán)境振動(dòng)因素是引起智能功率模塊引腳斷裂的失效機(jī)理，環(huán)境振動(dòng)具體是如何誘發(fā)智能功率模塊引腳斷裂的，本文采用試驗(yàn)與仿真結(jié)合的方法作進(jìn)一步研究。

圖2 電器盒智能功率模塊引腳失效位置與失效樣件失效位置吻合

2.2 動(dòng)力學(xué)分析

文獻(xiàn)[2]提出由于模態(tài)對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)有直接的聯(lián)系，要分析印制電路板在振動(dòng)環(huán)境下的可靠性，可以以模態(tài)分析為依據(jù)，根據(jù)模態(tài)分析所得出的振型來確定系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，同時(shí)根據(jù)有效模態(tài)質(zhì)量找出對(duì)系統(tǒng)影響較大的各階模態(tài)，文獻(xiàn)[5]提出采用掃頻振動(dòng)響應(yīng)的試驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)印制電路板的模態(tài)固頻識(shí)別。

對(duì)電器盒印制電路板組件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)分析，完成FEA模型一致性校核，并采用仿真分析方法揭示電器盒印制電路板組件的動(dòng)態(tài)振動(dòng)特性，判定系統(tǒng)的薄弱位置與應(yīng)力水平。

2.2.1 印制電路板試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

本文基于西門子LMS Test.Lab Impact Testing軟件模塊，采用美國(guó)PCB公司試驗(yàn)力錘錘擊印制電路板與PCB加速度傳感器拾取響應(yīng)，獲取印制電路板的試驗(yàn)頻響曲線，最終采用LMS PolyMAX法實(shí)現(xiàn)對(duì)印制電路板固頻及振型的辨識(shí)，測(cè)點(diǎn)布局如圖3a）所示，主要針對(duì)印制電路板作豎直方向上的錘擊激發(fā)，確認(rèn)印制電路板在真實(shí)安裝狀態(tài)下的0～200 Hz范圍內(nèi)固頻及主要模態(tài)振型。

圖3 印制電路板試驗(yàn)?zāi)B(tài)方案及試驗(yàn)結(jié)果

印制電路板的試驗(yàn)頻響曲線如圖3b）所示，其中紅色曲線為錘擊測(cè)試下印制電路板上某響應(yīng)測(cè)點(diǎn)的頻響函數(shù)幅值曲線與相位曲線，綠色曲線為印制電路板的所有測(cè)點(diǎn)的模態(tài)綜合頻響函數(shù)幅值曲線與相位曲線。圖3c）為采用LMS PolyMAX法辨識(shí)的印制電路板前四階固頻及對(duì)應(yīng)振型，其中第一階試驗(yàn)主模態(tài)69.22 Hz，第二階84.87 Hz，第三階113.76 Hz，第四階204.68 Hz。

2.2.2 印制電路板模態(tài)仿真分析

按照實(shí)際元器件重量，采用美國(guó)Altair軟件HyperMesh前處理模塊建立了由電器盒、印制電路板、智能功率模塊、電容、電阻及扼流圈等關(guān)鍵元器件組成的FEA有限元模型，采用美國(guó)Altair軟件Optistruct求解器模塊，按照試驗(yàn)安裝邊界條件完成電器盒組件約束模態(tài)仿真分析，并采用美國(guó)Altair軟件HyperView后處理模塊完成結(jié)果分析。如表1所示，經(jīng)FEA模型一致性修正，F(xiàn)EA有限元模型仿真精度達(dá)到工程仿真要求，圖4為印制電路板的第一階仿真主模態(tài)70.24 Hz。

表1 模型一致性驗(yàn)證

圖4 印制電路板第一階仿真主模態(tài)70.2 Hz

2.2.3 電器盒振動(dòng)應(yīng)力仿真分析

通過對(duì)振動(dòng)耐久性試驗(yàn)的仿真可以確定產(chǎn)品的頻率響應(yīng)特性，因此基于搭建的FEA有限元模型，進(jìn)一步完成振動(dòng)應(yīng)力仿真分析，如圖5所示，其中圖5a）為提取的智能功率模塊引腳最大應(yīng)力位置附近2個(gè)單元節(jié)點(diǎn)應(yīng)力響應(yīng)譜曲線，紅線與藍(lán)線分別表示兩個(gè)單元節(jié)點(diǎn)應(yīng)力響應(yīng)譜曲線，響應(yīng)峰值頻率為70.24 Hz，圖5b）中的紅色橢圓標(biāo)記出的位置為振動(dòng)應(yīng)力最大的位置，為智能功率模塊引腳位置，該位置的最大等效應(yīng)力301.3 MPa，遠(yuǎn)超出了《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第6版第1卷中規(guī)定的黃銅材料疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)限值90 MPa。

圖5 電器盒振動(dòng)應(yīng)力仿真結(jié)果

因此得出3點(diǎn)結(jié)論：（1）電器盒組件振動(dòng)應(yīng)力最大位置，與智能功率模塊實(shí)際失效引腳位置吻合；（2）應(yīng)力響應(yīng)譜曲線中最大響應(yīng)峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)頻率為70.24 Hz，與印制電路板第一階主模態(tài)吻合；（3）智能功率模塊引腳位置最大等效應(yīng)力301.3 MPa，遠(yuǎn)超出了黃銅材料疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)限值。基于上述3點(diǎn)結(jié)論，基本鎖定智能功率模塊引腳應(yīng)力主要是由印制電路板第一階主模態(tài)共振引起。

2.2.4 失效機(jī)理研究總結(jié)

基于振動(dòng)應(yīng)力仿真確認(rèn)了仿真失效位置與實(shí)際失效引腳位置相符合，仿真失效引腳應(yīng)力301.3 MPa，且智能功率模塊引腳應(yīng)力響應(yīng)譜曲線峰值對(duì)應(yīng)頻率為印制電路板仿真第一階主模態(tài)固頻點(diǎn)70.24 Hz，通過與試驗(yàn)?zāi)B(tài)下69.22 Hz振型對(duì)比，振型吻合，說明引起智能功率模塊引腳斷裂的主要原因?yàn)橛≈齐娐钒逯髂B(tài)被激起，引起引腳位置振動(dòng)疲勞失效，進(jìn)一步分析目前印制電路板設(shè)計(jì)方案，僅在印制電路板四周分布設(shè)計(jì)4個(gè)螺釘點(diǎn)固定位，在外部強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境下極易引起印制電路板鼓包微幅振動(dòng)，拉拽智能功率模塊引腳受力，造成引腳應(yīng)力疲勞損傷。

3 抗振仿真優(yōu)化

由于目前該款開模鑄鋁電器盒已通用到壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)用電器盒、風(fēng)機(jī)用電器盒，因此抗振優(yōu)化方案要求兼顧驅(qū)動(dòng)用印制電路板與風(fēng)機(jī)用印制電路板。文獻(xiàn)[6]提出采用隔振器設(shè)計(jì)來抵抗高烈度振動(dòng)、沖擊環(huán)境，文獻(xiàn)[7]提出基于印制電路板模態(tài)振型，判定出系統(tǒng)的剛度薄弱環(huán)節(jié)，在改動(dòng)最小的前提下，最佳改進(jìn)措施為調(diào)整電路板的固定支撐點(diǎn)，進(jìn)一步提高電路板的固有頻率，因此采用增加螺釘位方案強(qiáng)化印制電路板及元器件抗振性能，但通用化設(shè)計(jì)給螺釘位布局優(yōu)化方案制定增加了一定難度，最終開模鑄鋁電器盒增加鑄鋁螺柱的優(yōu)化方案如圖6所示。

圖6 電器盒印制電路板螺釘位優(yōu)化方案

經(jīng)振動(dòng)應(yīng)力仿真驗(yàn)證，如圖7，主驅(qū)用電器盒智能功率模塊引腳最大等效應(yīng)力由301.3 MPa降低至51.8 MPa，智能功率模塊引腳應(yīng)力改善明顯；風(fēng)機(jī)用電器盒智能功率模塊引腳最大等效應(yīng)力81.3 MPa，滿足材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，最終采用該方案改模增加電器盒印制電路板安裝螺柱，并完成樣品試制。

圖7 智能功率模塊引腳應(yīng)力對(duì)比

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

開模鑄鋁電器盒增加鑄鋁螺柱的優(yōu)化方案完成改模設(shè)計(jì)，并下試制單完成最終電器盒組件試驗(yàn)樣品樣品輸出，最終試驗(yàn)驗(yàn)證采用2套壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)用電器盒成品、2套風(fēng)機(jī)用電器盒成品，基于電動(dòng)液壓振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)完成4套電器盒組件成品振動(dòng)耐久性試驗(yàn)驗(yàn)收，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示，4套電器盒組件采用硬性固定于振動(dòng)臺(tái)面上。

（1）參考汽車電子元器件振動(dòng)耐久性試驗(yàn)方法[4]對(duì)汽車空調(diào)用電器盒部件部品級(jí)進(jìn)行加速振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，電器盒組件成品經(jīng)振動(dòng)耐久性試驗(yàn)方法[4]驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，試驗(yàn)后電器盒組件通電測(cè)試功能正常，經(jīng)X光檢查智能功率模塊引腳結(jié)構(gòu)正常，試驗(yàn)合格。

圖8 經(jīng)振動(dòng)耐久性試驗(yàn)后的智能功率模塊引腳X光檢查結(jié)果正常

（2）將上述經(jīng)過振動(dòng)耐久性試驗(yàn)的其中1套壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)用電器盒成品、1套風(fēng)機(jī)用電器盒成品安裝于汽車空調(diào)整機(jī)產(chǎn)品中，完成汽車空調(diào)整機(jī)試驗(yàn)全程開機(jī)運(yùn)行條件下的隨機(jī)譜振動(dòng)耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)后汽車空調(diào)整機(jī)仍正常運(yùn)行，試驗(yàn)合格。

（3）目前優(yōu)化方案電器盒組件已完成改模投產(chǎn)，如圖9所示為壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)用電器盒改模成品、風(fēng)機(jī)用電器盒改模成品。

圖9 主驅(qū)用電器盒、風(fēng)機(jī)用電器盒改模成品

5 結(jié)論

基于汽車空調(diào)控制器用智能功率模塊引腳斷裂燒毀的故障問題，詳細(xì)開展了動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)與CAE仿真結(jié)合的車用電子元器件失效機(jī)理研究、優(yōu)化改進(jìn)與驗(yàn)證，并得到如下結(jié)論：

（1）采用加速疲勞振動(dòng)耐久性試驗(yàn)方法，基本復(fù)現(xiàn)了前期出現(xiàn)的失效故障模式，鎖定為環(huán)境振動(dòng)因素是引起智能功率模塊引腳斷裂的失效機(jī)理，具體表征為智能功率模塊引腳斷裂，導(dǎo)致引腳斷裂位置附近存在接觸電阻大，進(jìn)而引起打火現(xiàn)象，最終呈現(xiàn)智能功率模塊引腳燒毀現(xiàn)象；

（2）針對(duì)環(huán)境振動(dòng)具體是如何誘發(fā)智能功率模塊引腳斷裂的，本文采用試驗(yàn)?zāi)B(tài)與CAE仿真分析相結(jié)合的技術(shù)方法進(jìn)一步揭示了引起智能功率模塊引腳斷裂的主要原因?yàn)橛≈齐娐钒逯髂B(tài)69.22 Hz被激起，引起引腳位置振動(dòng)應(yīng)力過大，最終在長(zhǎng)期持續(xù)振動(dòng)環(huán)境下引起引腳疲勞失效；

（3）基于印制電路板第一階69.22 Hz主模態(tài)振型圖，鎖定印制電路板振動(dòng)響應(yīng)較大位置，而目前失效方案僅在印制電路板四周分布設(shè)計(jì)4個(gè)螺釘點(diǎn)固定位，因此采用增加螺釘位方案強(qiáng)化印制電路板抗振性能，同時(shí)抗振優(yōu)化方案兼顧了驅(qū)動(dòng)用印制電路板與風(fēng)機(jī)用印制電路板使用要求，經(jīng)振動(dòng)應(yīng)力仿真驗(yàn)證引腳應(yīng)力由301.3 MPa降低至51.8 MPa，經(jīng)振動(dòng)耐久性試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)后通電測(cè)試功能正常，經(jīng)X光檢查智能功率模塊引腳正常滿足要求；

（4）新方案電器盒組件已完成改模投產(chǎn)，主驅(qū)用電器盒、風(fēng)機(jī)用電器盒均已完成切換。

區(qū)別于家用空調(diào)電子元器件使用環(huán)境的不同，車用空調(diào)電子元器件設(shè)計(jì)開發(fā)中對(duì)電子元器件抗振設(shè)計(jì)的要求更加嚴(yán)苛，該研究成果對(duì)提升車用空調(diào)電子元器件品質(zhì)有很好的借鑒作用。