汽車電子元器件失效機(jī)理及仿真分析

陳建華

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院 汽車學(xué)院，福建 福州 350007)

0 前言

隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人們生活水平的提高，我國(guó)汽車市場(chǎng)迎來(lái)了快速發(fā)展時(shí)期。作為汽車構(gòu)造的重要基礎(chǔ)，電子元器件的質(zhì)量與穩(wěn)定性直接影響到汽車的行駛安全。在汽車行駛過(guò)程中，伴隨有較強(qiáng)的沖擊、振動(dòng)、碰撞等，長(zhǎng)期處于過(guò)分惡劣的環(huán)境會(huì)對(duì)電子元器件自身的使用周期產(chǎn)生較大影響。因此，電子元器件的耐用性是衡量汽車產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，如何有效地提高汽車電子元器件的耐用性，是現(xiàn)階段汽車產(chǎn)品必須重視的問(wèn)題。

空調(diào)是汽車中十分重要的功能部件，為了進(jìn)一步提高汽車空調(diào)電子元器件的抗振動(dòng)負(fù)載能力，電子元器件的重要載體——印制電路板的穩(wěn)定性至關(guān)重要。在設(shè)計(jì)汽車空調(diào)印制電路板時(shí)，必須對(duì)相關(guān)電路板開(kāi)展力學(xué)分析，總結(jié)其相關(guān)振動(dòng)特性，從而確保設(shè)計(jì)完成的電路板不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)方面的問(wèn)題。為了解決汽車空調(diào)控制器中，智能功率模塊引腳容易斷裂、燒毀等問(wèn)題，采用試驗(yàn)與仿真結(jié)合的方式，探討汽車電子元器件的失效機(jī)理，并提出了增強(qiáng)電子元器件可靠性的方法。

1 汽車電子元器件失效分析

查看并分析出現(xiàn)問(wèn)題的汽車空調(diào)電器盒，確定故障原因?yàn)殡娖骱兄悄芄β誓K引腳燒毀。將故障件放置到X射線檢測(cè)儀器中，對(duì)燒毀位置驗(yàn)傷，結(jié)論是引腳斷裂，基本可推斷汽車空調(diào)電器盒燒毀的主要原因是智能功率模塊引腳斷裂，使得引腳附近的接觸電阻升高，最終引發(fā)短路現(xiàn)象。所以，解決汽車空調(diào)電器盒故障的關(guān)鍵在于制定有效的方案，避免空調(diào)電器盒智能功率模塊引腳發(fā)生斷裂。

1.1 失效模式復(fù)現(xiàn)

一般來(lái)說(shuō)，使用耐久試驗(yàn)衡量產(chǎn)品的力學(xué)性能與疲勞強(qiáng)度，可以測(cè)試產(chǎn)品在某種振動(dòng)環(huán)境下是否會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞、機(jī)械不正常磨損等影響壽命周期的現(xiàn)象。在汽車產(chǎn)業(yè)中，明確要求各個(gè)零部件的振動(dòng)耐久性必須超過(guò)整機(jī)，基于該原則，采用汽車電子元器件耐久性試驗(yàn)方法，對(duì)汽車空調(diào)電器盒部件開(kāi)展振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，查看其能否復(fù)現(xiàn)電器盒的失效模式。隨機(jī)選擇2個(gè)樣品進(jìn)行X射線照射，結(jié)果均為電器盒智能功率模塊引腳位置出現(xiàn)輕微裂紋，與故障失效位置基本一致，如圖1所示。該試驗(yàn)很好地復(fù)現(xiàn)了故障問(wèn)題，確定其失效機(jī)理是環(huán)境振動(dòng)導(dǎo)致的引腳斷裂。

圖1 空調(diào)電器盒智能功率模塊引腳失效位置和樣件失效位置

1.2 動(dòng)力學(xué)分析

模態(tài)和系統(tǒng)響應(yīng)的聯(lián)系十分緊密，為了進(jìn)一步探究印制的電路板在長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)下的穩(wěn)定性，以模態(tài)分析為基礎(chǔ)，根據(jù)模態(tài)分析展示的振型查找系統(tǒng)的危險(xiǎn)環(huán)節(jié)，并依照有效模態(tài)質(zhì)量確定對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生明顯影響的各階模態(tài)。

對(duì)汽車空調(diào)電器盒智能功率模塊印制的電路板組件實(shí)施動(dòng)力學(xué)仿真分析，確保有限元分析(FEA)模型的一致性，同時(shí)基于仿真分析法，獲得汽車空調(diào)電器盒智能功率模塊印制電路板組件的動(dòng)態(tài)振動(dòng)特性，以確定系統(tǒng)中的危險(xiǎn)位置和應(yīng)力分布情況。

1.3 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

選擇西門子公司生產(chǎn)的學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)(LMS)軟件模塊，使用德國(guó)FEIN公司試驗(yàn)力錘錘擊電路板，并通過(guò)加速度傳感器獲得反饋，得到空調(diào)電器盒智能功率模塊印制電路板組件的試驗(yàn)頻響變化曲線，如圖2所示。在垂直方向錘擊激發(fā)空調(diào)電器盒印制電路板組件，得到其在實(shí)際安裝形態(tài)下0～195 Hz的固有頻率及關(guān)鍵模態(tài)振型。

圖2 空調(diào)電器盒智能功率模塊印制電路板的試驗(yàn)頻響曲線

圖中曲線分別表示在錘擊測(cè)試過(guò)程中印制電路板某一處響應(yīng)測(cè)點(diǎn)的頻率響應(yīng)函數(shù)曲線和相位曲線，以及在空調(diào)電器盒印制電路板中各個(gè)測(cè)點(diǎn)的總體頻率響應(yīng)函數(shù)幅值曲線和相位曲線。

1.4 模態(tài)仿真

根據(jù)元器件的質(zhì)量，使用美國(guó)Altair軟件構(gòu)建FEA模型，該模型主要有電器盒、智能功率模塊、印制電路板、電容等多個(gè)重要部件。運(yùn)用Altair軟件求解，根據(jù)試驗(yàn)安裝邊界的基本要求，開(kāi)展空調(diào)電器盒印制電路板組件約束模態(tài)仿真一致性驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)表1。采用FEA模型的一致性進(jìn)行優(yōu)化，F(xiàn)EA模型的精準(zhǔn)程度可以很好地滿足工程仿真標(biāo)準(zhǔn)。

表1 模型一致性驗(yàn)證

1.5 振動(dòng)應(yīng)力仿真分析

通過(guò)印制電路板的振動(dòng)耐久性仿真試驗(yàn)可得到其頻率響應(yīng)特性，基于FEA有限元模型，深入開(kāi)展振動(dòng)應(yīng)力仿真分析與研究?？照{(diào)電器盒智能功率模塊引腳最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力響應(yīng)曲線如圖3所示，其中曲線分別代表了不同單元節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力曲線，響應(yīng)最大頻率達(dá)71.33 Hz。另外，在印制電路板模塊引腳最大應(yīng)力位置處出現(xiàn)的峰值應(yīng)力達(dá)298.4 MPa，根據(jù)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)，黃銅疲勞強(qiáng)度最大設(shè)計(jì)值為90 MPa，實(shí)際應(yīng)力值遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)值。

圖3 電器盒智能功率模塊引腳最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力響應(yīng)曲線

根據(jù)仿真試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：① 在振動(dòng)試驗(yàn)中，汽車空調(diào)電器盒組件應(yīng)力峰值位置與引腳具體失效位置相一致。② 由空調(diào)電器盒應(yīng)力響應(yīng)曲線可知，峰值響應(yīng)點(diǎn)下的頻率為71.33 Hz，與空調(diào)印制電路板第1階模態(tài)數(shù)值接近。③ 在空調(diào)電器盒印制電路板模塊組件中，引腳最大應(yīng)力達(dá)到298.4 MPa，是黃銅材料標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)應(yīng)力的3倍以上。所以，可以確定汽車空調(diào)電器盒智能功率模塊引腳應(yīng)力主要來(lái)源于印制電路板的第1階模態(tài)共振。

2 抗振仿真優(yōu)化

為了確保空調(diào)電器盒能夠同時(shí)兼容壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電器盒及風(fēng)機(jī)電器盒，在改進(jìn)和調(diào)整該電器盒時(shí)，不能影響其他部件對(duì)該電器盒的使用。為了強(qiáng)化電路板的固有頻率，可通過(guò)在鑄鋁電器盒上加設(shè)螺栓固定數(shù)量來(lái)改善印制電路板及元器件的抗振動(dòng)性能，如圖4所示。

圖4 電器盒印制電路板螺栓固定位調(diào)整

對(duì)調(diào)整后的電器盒印制電路板開(kāi)展振動(dòng)試驗(yàn)，通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，電器盒引腳的最大應(yīng)力由298.4 MPa減小到52.2 MPa，最大應(yīng)力明顯降低。此外，風(fēng)機(jī)電器盒智能功率模塊引腳處的最大應(yīng)力為79.4 MPa，低于機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的90.0 MPa，符合材料受力要求。因此確定采用該方案，對(duì)現(xiàn)有汽車空調(diào)電器盒印制電路板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加電路板的實(shí)際螺栓安裝數(shù)量。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了更好地驗(yàn)證該方案的有效性，設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)進(jìn)行校核。首先根據(jù)需要增加螺栓的電器盒，制作6個(gè)試制樣件，然后將其組裝成3套壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電器盒組件及3套風(fēng)機(jī)電器盒組件，最后開(kāi)展耐久性試驗(yàn)。

(1) 采用汽車電子元器件振動(dòng)試驗(yàn)方式與方法，對(duì)汽車空調(diào)電器盒實(shí)施相應(yīng)的振動(dòng)疲勞試驗(yàn)及振動(dòng)耐久性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，先將電器盒連接電源，通電后測(cè)試各個(gè)功能是否正常工作，再用X射線檢測(cè)儀器查驗(yàn)引腳位置。各項(xiàng)功能運(yùn)行正常，同時(shí)并未在引腳位置發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，證明該電器盒滿足使用要求。

(2) 從上述通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)的壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電器盒組件及風(fēng)機(jī)電器盒組件中各選取1套，將其固定在汽車空調(diào)整機(jī)中，在汽車空調(diào)整機(jī)正常運(yùn)行的情況下，開(kāi)展隨機(jī)譜振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)試汽車空調(diào)整機(jī)功能，結(jié)果均合格。

(3) 現(xiàn)階段經(jīng)過(guò)優(yōu)化的汽車空調(diào)電器盒已經(jīng)投入量產(chǎn)，生產(chǎn)制造的壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電器盒與風(fēng)機(jī)電器盒實(shí)物如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后的電器盒成品

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)汽車空調(diào)電器盒智能功率模塊引腳容易發(fā)生斷裂的問(wèn)題，基于X射線檢測(cè)儀器明確了功率模塊引腳的失效機(jī)理，開(kāi)展相關(guān)的仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)改進(jìn)后的方案具有良好的可行性，有助于增強(qiáng)汽車電子元器件的穩(wěn)定性，并提高其品質(zhì)。