汽車電子元器件失效機理及仿真分析

陳建華

(福建船政交通職業學院 汽車學院，福建 福州 350007)

0 前言

隨著現代社會經濟的不斷發展和人們生活水平的提高，我國汽車市場迎來了快速發展時期。作為汽車構造的重要基礎，電子元器件的質量與穩定性直接影響到汽車的行駛安全。在汽車行駛過程中，伴隨有較強的沖擊、振動、碰撞等，長期處于過分惡劣的環境會對電子元器件自身的使用周期產生較大影響。因此，電子元器件的耐用性是衡量汽車產品質量的重要指標，如何有效地提高汽車電子元器件的耐用性，是現階段汽車產品必須重視的問題。

空調是汽車中十分重要的功能部件，為了進一步提高汽車空調電子元器件的抗振動負載能力，電子元器件的重要載體——印制電路板的穩定性至關重要。在設計汽車空調印制電路板時，必須對相關電路板開展力學分析，總結其相關振動特性，從而確保設計完成的電路板不會出現振動方面的問題。為了解決汽車空調控制器中，智能功率模塊引腳容易斷裂、燒毀等問題，采用試驗與仿真結合的方式，探討汽車電子元器件的失效機理，并提出了增強電子元器件可靠性的方法。

1 汽車電子元器件失效分析

查看并分析出現問題的汽車空調電器盒，確定故障原因為電器盒智能功率模塊引腳燒毀。將故障件放置到X射線檢測儀器中，對燒毀位置驗傷，結論是引腳斷裂，基本可推斷汽車空調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，最終引發短路現象。所以，解決汽車空調電器盒故障的關鍵在于制定有效的方案，避免空調電器盒智能功率模塊引腳發生斷裂。

1.1 失效模式復現

一般來說，使用耐久試驗衡量產品的力學性能與疲勞強度，可以測試產品在某種振動環境下是否會出現疲勞破壞、機械不正常磨損等影響壽命周期的現象。在汽車產業中，明確要求各個零部件的振動耐久性必須超過整機，基于該原則，采用汽車電子元器件耐久性試驗方法，對汽車空調電器盒部件開展振動疲勞試驗，查看其能否復現電器盒的失效模式。隨機選擇2個樣品進行X射線照射，結果均為電器盒智能功率模塊引腳位置出現輕微裂紋，與故障失效位置基本一致，如圖1所示。該試驗很好地復現了故障問題，確定其失效機理是環境振動導致的引腳斷裂。

圖1 空調電器盒智能功率模塊引腳失效位置和樣件失效位置

1.2 動力學分析

模態和系統響應的聯系十分緊密，為了進一步探究印制的電路板在長時間振動下的穩定性，以模態分析為基礎，根據模態分析展示的振型查找系統的危險環節，并依照有效模態質量確定對系統產生明顯影響的各階模態。

對汽車空調電器盒智能功率模塊印制的電路板組件實施動力學仿真分析，確保有限元分析(FEA)模型的一致性，同時基于仿真分析法，獲得汽車空調電器盒智能功率模塊印制電路板組件的動態振動特性，以確定系統中的危險位置和應力分布情況。

1.3 試驗模態分析

選擇西門子公司生產的學習管理系統(LMS)軟件模塊，使用德國FEIN公司試驗力錘錘擊電路板，并通過加速度傳感器獲得反饋，得到空調電器盒智能功率模塊印制電路板組件的試驗頻響變化曲線，如圖2所示。在垂直方向錘擊激發空調電器盒印制電路板組件，得到其在實際安裝形態下0～195 Hz的固有頻率及關鍵模態振型。

圖2 空調電器盒智能功率模塊印制電路板的試驗頻響曲線

圖中曲線分別表示在錘擊測試過程中印制電路板某一處響應測點的頻率響應函數曲線和相位曲線，以及在空調電器盒印制電路板中各個測點的總體頻率響應函數幅值曲線和相位曲線。

1.4 模態仿真

根據元器件的質量，使用美國Altair軟件構建FEA模型，該模型主要有電器盒、智能功率模塊、印制電路板、電容等多個重要部件。運用Altair軟件求解，根據試驗安裝邊界的基本要求，開展空調電器盒印制電路板組件約束模態仿真一致性驗證，結果見表1。采用FEA模型的一致性進行優化，FEA模型的精準程度可以很好地滿足工程仿真標準。

表1 模型一致性驗證

1.5 振動應力仿真分析

通過印制電路板的振動耐久性仿真試驗可得到其頻率響應特性，基于FEA有限元模型，深入開展振動應力仿真分析與研究。空調電器盒智能功率模塊引腳最大應力節點的應力響應曲線如圖3所示，其中曲線分別代表了不同單元節點的應力曲線，響應最大頻率達71.33 Hz。另外，在印制電路板模塊引腳最大應力位置處出現的峰值應力達298.4 MPa，根據機械標準手冊，黃銅疲勞強度最大設計值為90 MPa，實際應力值遠超標準設計值。

圖3 電器盒智能功率模塊引腳最大應力節點的應力響應曲線

根據仿真試驗，可以得出以下結論：① 在振動試驗中，汽車空調電器盒組件應力峰值位置與引腳具體失效位置相一致。② 由空調電器盒應力響應曲線可知，峰值響應點下的頻率為71.33 Hz，與空調印制電路板第1階模態數值接近。③ 在空調電器盒印制電路板模塊組件中，引腳最大應力達到298.4 MPa，是黃銅材料標準設計應力的3倍以上。所以，可以確定汽車空調電器盒智能功率模塊引腳應力主要來源于印制電路板的第1階模態共振。

2 抗振仿真優化

為了確保空調電器盒能夠同時兼容壓縮機驅動電器盒及風機電器盒，在改進和調整該電器盒時，不能影響其他部件對該電器盒的使用。為了強化電路板的固有頻率，可通過在鑄鋁電器盒上加設螺栓固定數量來改善印制電路板及元器件的抗振動性能，如圖4所示。

圖4 電器盒印制電路板螺栓固定位調整

對調整后的電器盒印制電路板開展振動試驗，通過分析試驗數據可知，電器盒引腳的最大應力由298.4 MPa減小到52.2 MPa，最大應力明顯降低。此外，風機電器盒智能功率模塊引腳處的最大應力為79.4 MPa，低于機械設計標準中的90.0 MPa，符合材料受力要求。因此確定采用該方案，對現有汽車空調電器盒印制電路板進行優化設計，增加電路板的實際螺栓安裝數量。

3 試驗驗證

為了更好地驗證該方案的有效性，設計驗證試驗進行校核。首先根據需要增加螺栓的電器盒，制作6個試制樣件，然后將其組裝成3套壓縮機驅動電器盒組件及3套風機電器盒組件，最后開展耐久性試驗。

(1) 采用汽車電子元器件振動試驗方式與方法，對汽車空調電器盒實施相應的振動疲勞試驗及振動耐久性試驗。試驗結束后，先將電器盒連接電源，通電后測試各個功能是否正常工作，再用X射線檢測儀器查驗引腳位置。各項功能運行正常，同時并未在引腳位置發現裂紋等缺陷，證明該電器盒滿足使用要求。

(2) 從上述通過振動試驗的壓縮機驅動電器盒組件及風機電器盒組件中各選取1套，將其固定在汽車空調整機中，在汽車空調整機正常運行的情況下，開展隨機譜振動測試試驗。試驗結束后，測試汽車空調整機功能，結果均合格。

(3) 現階段經過優化的汽車空調電器盒已經投入量產，生產制造的壓縮機驅動電器盒與風機電器盒實物如圖5所示。

圖5 改進后的電器盒成品

4 結語

綜上所述，針對汽車空調電器盒智能功率模塊引腳容易發生斷裂的問題，基于X射線檢測儀器明確了功率模塊引腳的失效機理，開展相關的仿真分析與試驗驗證，證實改進后的方案具有良好的可行性，有助于增強汽車電子元器件的穩定性，并提高其品質。