微尺度DIC测量技术用于新能源汽车电源模块全场变形测量

       新能源汽车电机功率转换，需通过逆变器实现，功率模块被视为核心部件。功率模块服役环境苛刻，采用新拓三维DIC测量技术进行三维变形测量，可评估功率模块的失效机理和可靠性。DIC测试结果可为有限元分析（FEA）模型提供参考，有助于优化功率模块性能及使用寿命。

芯片连接焊料裂纹导致电源模块失效

       采用新拓三维微尺度DIC测量技术，搭配高放大倍数的体式显微镜，对功率模块微小元件测试，获得被测区域的整体变形分布。DIC技术测试结果可发现功率模块热力学载荷下的薄弱环节，有助于加快整个可靠性评估过程。

XTDIC-MICRO显微应变测量系统

       采用新拓三维微尺度DIC测量技术，基于立体数字图像相关（DIC），对功率模块微小尺寸元器件进行全场变形测量，结合有限元分析（FEA）仿真模型，验证功率模块包的热载荷变形性能。

       DIC技术用于功率模块全场变形测量

       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。

逆变器整体结构与分解图

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。

功率模块（a）变形前和（b）变形后的结构

       新拓三维微尺度DIC测量技术，在CCD摄像机下安装一台显微镜，以获取电源模块的散焦中无法察觉的变化。DIC软件对图像分析处理，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。新拓三维微尺度DIC测量技术分析全场变形对于确定功率模块的应变场至关重要。

DIC定向变形测量设置的配置

新拓三维微尺度DIC技术测量实验装置

红外相机温度场测量和DIC测量技术

       DIC技术分析电源模块平面外变形

       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：

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：

       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。

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。

（a）x轴和（b）y轴上变形的实验结果

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。

具有边界条件的有限元模型的温度分布（a）情况a和（b）b。

具有边界条件的有限元模型的变形分布（a） 情况a和（b）b。

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

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。

（a）裸模和（b）其他层的平面外变形分布

裸模在（a）x轴和（b）y轴上的平面内变形分布

       总结

       1）热载荷下电源模块发生变形，这是导致电源模块故障的关键。因此，DIC技术用于全场变形特征测量，有助于材料及结构设计和优化。

       2）采用新拓三维微尺度DIC测量技术，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技术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，DIC测试结果有助于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】