Ansys Mechanical汽车动力模块可靠性研发策略

动力模块是当今大部分汽车中的电子组件，它包含可以把电池的低压直流电转换成高压交流电、以便驱动车辆电机的换流器。必须耗散上述过程所产生的热量，以避免超过换流器的结温。大多数电子功率模块必须进行反极性测试，以确保在安装新电池、重新连接维修后的原电池或者跨接线启动过程中不会出现问题。在反极性电池测试（RBT）过程输入极性颠倒，而换流器出现短路表现，从而会产生大约140A的电流并生成远超过正常运行时的热量。

反极性电池测试过程中的力：

1) 衬底的膨胀、

2)螺栓施加的反作用力、

3) 螺栓预载荷的反作用力、以及

4) 螺栓力

Integrated Micro-Electronics（IMI）是全球汽车行业第六大电子产品制造服务供应商，并且深耕众多其它市场。该公司的工程师发现在反极性电池测试期间，动力转向电源模块经常出现环氧树脂模塑料（EMC）封装的中心线破裂，以及发生焊料再熔化现象。由于存在多个设计变量，因此诊断和解决上述问题，需要花费多达8个月的时间来开展大规模试验设计。

接触分析的仿真结果中，红色区域表示可实现热传导的充分接触压力，设计参数：200µm弯曲/100µm TIM厚度/800N螺栓力（左），60µm弯曲/500µm TIM厚度/800N螺栓力（中），60µm弯曲/500µm TIM厚度/1200N螺栓力（右）。

反极性电池测试

电源模块包含9个消耗大量电流的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）换流器芯片。直接敷铜（DBC）衬底一共有三层，自上而下是铜、陶瓷与铜。DBC兼具铜的高导热性和陶瓷的低热膨胀系数。

但是，铜与陶瓷之间的热膨胀系数不匹配会造成轻微弯曲，从而导致模块底部出现很难消除的凹面。每一侧的螺丝和螺栓把封装固定到属于电机支架组成部分的散热器上。具有高导热性的热界面材料（TIM）衬垫提供衬底和散热器之间的电气绝缘材料。

随着模块温度在RBT过程中升高，整个封装会在螺栓约束下膨胀，同时受到面内压缩反作用力。对应于螺栓的预载荷，模块会产生一个向上力。热量会使环氧树脂模塑料软化，从而使DBC衬底单独承受螺栓施加的压缩力。

衬底无法承受时，封装则会向上屈曲。这一点在故障排除过程刚开始时尤为明显。不过，由于需要考虑众多不同的设计变量，IMI工程师面临的问题是，需要采用漫长而又高昂的试验设计方法进行众多物理试验，才能了解各个设计变量的影响并解决问题。

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