Ansys Mechanical | 如何研发出可靠的汽车动力模块？（二）

时间就是金钱，考虑到这些物理试验需要高昂费用而且过程漫长，而8个月的时间可能导致失去合同，工程师决定采用软件仿真RBT。

第一步需要了解九个MOSFET的相应功耗，这九个MOSFET针对三个交流（AC）相位分为三组，每组三个晶体管。他们进行了电气仿真，结果显示80%的电流会流经最靠近输入端的AC相。大约15%的电流由中间相位共享，而最远的相位则消耗剩余5%的电流。

工程师然后创建了衬底、封装、TIM衬垫、散热器（支架）和螺栓的Ansys Mechanical模型。他们对螺栓施加预载荷，以预测电源模块、TIM和散热器之间的有效热接触面积。接触面积决定了传导到散热器的热量，因此它可以影响模块的温度。

工程师通过参数化分析确定接触面积对螺栓力、封装弯曲和TIM厚度的敏感度。就仿真的案例而言，接触面积在18.7%到97.8%之间变化。结果表明，接触面积通常会随模块弯曲减少而增加，从而增加螺栓力和TIM厚度。大螺栓力、厚TIM衬垫和轻微的模块弯曲可以提供接近100%的接触。

最终设计方案的热接触变形分析设置

第二步是瞬态热分析，通过电气仿真提供热源和接触分析，以确定模块和散热器之间的有效热接触。工程师采用接触分析中所用的相同变量以及相同值，再进行了一次参数化分析。结果表明，通常产生更高接触面积的设计参数会产生更低的结温。在大多数仿真的案例中，温度都超过了焊料回流温度。只有在低弯曲、厚TIM衬垫和高螺栓力的情况下，模块才有可能避免RBT过程中的焊料再熔化。

工程师接下来采用之前机械和热机械分析的载荷作为线性屈曲分析的预应力。他们采用线性屈曲的扰动形状作为非线性屈曲的起点。非线性屈曲仿真准确预测了采用100µm TIM衬垫厚度、800N螺栓预载荷和60µm弯曲的初始设计参数进行的物理测试中发现的破裂情况。

仿真表明，通过降低螺栓力可以消除屈曲。但是瞬态热分析表明，这样会使温度提高到足以导致焊料再熔化的水平。假设的0屈曲、800N螺栓载荷和100µm厚衬垫完美封装不会产生屈曲，也不会导致焊料再熔化。不过这种完美封装需要高得多而无法让人承受的生产成本。

在弄清问题原因及其对相关设计变量的敏感度之后，工程师研究了利用TIM胶替代TIM衬垫的思路。TIM胶的优势是能够以更低螺栓力保持更高的接触面积，从而在不产生焊料再熔化的情况下降低螺栓力。

利用仿真，Integrated Micro-Electronics工程师快速诊断了焊料再熔化和模块破裂这两个问题，而且确定了相关设计变量的敏感度。仿真帮助工程师研发出了一种解决方案，不但不增加生产成本，而且只需物理试验一半的时间即可解决问题。

非线性屈曲分析结果，红色区域表示破裂失效，而绿色区域表示无破裂。案例C有轻微变形，但是因焊料再熔化而失效。案例E有轻微变形且温度低，但是使用现有生产工艺无法进行生产。案例F有可容许的变形与温度，但是无安全裕量，因此即使微小生产变化也会导致失效。

瞬态热分析结果：红色表示会出现焊料再熔化，绿色表示不会出现焊料再熔化，而黄色表示临界结果。