用光致发光对热机械应力进行可视化和建模的系统和方法技术方案

本公开涉及用光致发光对热机械应力进行可视化和建模的系统和方法。电子系统可以包括基板、结合至基板的电子设备、设置在电子设备上的多个光致发光颗粒、照射器、传感器和控制模块。照射器可以照射电子设备。传感器可以捕获在电子设备不在负载下操作时光致发光颗粒在电子设备上的第一组位置以及在电子设备在负载下操作时光致发光颗粒的第二组位置。控制模块可以至少部分地基于第一组位置与第二组位置之间的差异来确定电子设备上的热机械应力。

【技术实现步骤摘要】
用光致发光对热机械应力进行可视化和建模的系统和方法
本说明书一般而言涉及用于检测半导体芯片上的热机械应力的系统和方法，并且更具体而言，涉及用于使用光致发光对半导体芯片上的热机械应力进行可视化和建模的系统和方法。
技术介绍
在电气化车辆和其它高热量环境中的电力电子组件中的半导体的操作可生成大的热通量。由于电力电子组件的各层之间的热膨胀系数不同，因此组件的一个或多个层可能由于热机械应力而挠曲。这种移动可能导致半导体芯片破裂或以其它方式被损坏。因此，需要用于测量在电力电子组件中的半导体的操作期间产生的热机械应力的替代系统和方法。
技术实现思路
在一个实施例中，一种电子系统包括基板、结合到基板的电子设备、设置在电子设备上的多个光致发光颗粒、照射器、传感器和控制模块。照射器照射电子设备。传感器捕获在电子设备不在负载下操作时光致发光颗粒在电子设备上的第一组位置以及在电子设备在负载下操作时光致发光颗粒的第二组位置。控制模块至少部分地基于第一组位置与第二组位置之间的差异来确定电子设备上的热机械应力。在另一个实施例中，一种方法包括：在结合到基板的电子设备的表面上沉积多个光致发光颗粒；当电子设备不在负载下操作时，用第一波长的光照射电子设备的表面，并确定光致发光颗粒在电子设备上的第一组位置；当电子设备在负载下操作时，用第一波长的光照射电子设备的表面，并确定光致发光颗粒在电子设备上的第二组位置；以及至少部分地基于第一组位置与第二组位置之间的差异来确定电子设备上的热机械应力。结合附图，根据以下详细描述将更加充分地理解由本文描述的实施例提供的这些特征和附加特征。附图说明在附图中阐述的实施例本质上是说明性和示例性的，并且不旨在限制由权利要求限定的主题。当结合以下附图阅读时，可以理解说明性实施例的以下详细描述，其中相似的结构被用相似的附图标记指示，并且其中：图1示意性地描绘了根据本文示出或描述的一个或多个实施例的示例电子系统的视图；图2A示意性地描绘了根据本文示出或描述的一个或多个实施例的另一示例电子系统的视图；图2B示出了图2A的电子系统的一部分的立体图；图2C示出了图2A的电子系统的一部分的立体图；图2D示出了对图2C的基板捕获的示例图像；图3A示出了图1的电子系统中的基板上的光致发光颗粒的示例布置；图3B示出了图1的电子系统中的基板上的光致发光颗粒的示例移动；图4示意性地描绘了图1的电子系统中的层的布置；图5示出了图1的电子系统中的半导体芯片的示例应变图。具体实施方式图1大体描绘了电子系统的一个实施例。图1的电子系统包括结合到基板的电子设备、照射器、传感器和控制模块。多个光致发光颗粒被设置在电子设备上。照射器可以照射电子设备以使光致发光颗粒照射，使得传感器可以捕获光致发光颗粒的位置。在电子系统的操作期间，热机械应力可以导致电子设备疲劳并最终由于电子设备与基板之间的焊料结合的破裂和/或分层而失效。本文公开的系统和方法允许实时可视化电子设备上的应力，这允许在电子设备处于操作中的同时检测电子设备中的破裂和/或电子设备与基板之间的分层。通过实时检测这些问题，可以在问题变得太严重之前采取纠正措施。如本文所描述的，电子设备上的光致发光颗粒的存在允许实时监视电子设备上的热机械应力。当电子设备在负载下操作时，照射器照射光致发光颗粒，从而使得光致发光颗粒发光并允许传感器跟踪光致发光颗粒的移动。然后可以使用颗粒的移动来监视电子设备上的热机械负载，使得可以在发生重大损坏之前在需要时采取纠正措施。现在参考图1，图示了电子系统100的一个实施例。电子系统100通常包括基板102、结合到基板102的电子设备104、照射器106、传感器108和控制模块110。基板102是在其上结合电子设备104的基底，并且可以是任何合适的基板。非限制性示例包括铜、直接结合的铜、金属-反蛋白石层等。在一些实施例中，电子设备104是作为电气化车辆中的电力控制单元的一部分的半导体，其开启和关闭以将DC电压转换成AC电压。在其它实施例中，电子设备104可以是除半导体之外的电子部件，并且可以在其它环境中使用，并且作为其它电子系统的部分用于其它目的。参考图2A，图示了另一个示例电子系统200。在图2A的非限制性示例中，电子系统200包括图1的基板102和两个图1的结合到基板102的电子设备104。设备104利用焊料层103结合到基板102。设备104可以经由导线107连接到母线105。母线105将设备104电耦合到电力电子组件中的其它部件。另外，电子系统200包括底板112和散热器114。底板112可以形成基板102的基底，并且可以是任何合适的材料，诸如铜、铝等。散热器114可以用于冷却基板102和电子设备104。电子系统200被封闭在壳体116内。图2B示出了基板102和结合到基板102的电子设备104的立体图。当电子设备104在负载下操作时，会生成大量的热量。基板102的热膨胀系数与电子设备104的热膨胀系数之间的差异可导致热机械应力被施加到电子设备104。这可以导致电子设备104的部分在如图2B中所示的x方向和/或y方向上膨胀或收缩(例如，挠曲)。如上所述，这可以导致电子设备104损坏。为了可视化电子设备104的膨胀或收缩，多个光致发光颗粒300被沉积在电子设备104的表面上，如图2C中所示。颗粒300具有光致发光的性质，使得当它们被用特定波长(激发波长)的光照射时，它们发射另一波长(发射波长)的光。在一些实施例中，光致发光颗粒300是在被用紫外光照射时发射可见光的磷光体(即，颗粒300的激发波长在电磁谱的紫外部分中，并且颗粒300的发射波长在电磁谱的可见部分中)。更特别地，在一些实施例中，光致发光颗粒300具有在大约345-350nm之间的激发波长和在大约530-540nm之间的发射波长。应该理解的是，颗粒300可以具有在电磁谱的其它部分中的其它激发波长和发射波长。特别期望磷光体用于如本文所述的电子系统100，因为磷光体在高温处稳定。但是，在其它实施例中，颗粒300可以包括其它材料，诸如聚合的量子点或其它光致变色材料，只要材料具有适当的光致发光性质即可。光致发光颗粒300的颗粒大小(例如，颗粒直径)可以在从220nm(近似人类视觉极限)到20微米的范围内。在非限制性示例中，光致发光颗粒300的颗粒大小在5-15微米之间。在一些实施例中，使用可喷涂的透明涂层将颗粒300沉积在电子设备104的表面上。在其它实施例中，可以使用其它方法来将颗粒300沉积到电子设备104的表面上。参考图4，在一些实施例中，光致发光颗粒300被提供在颗粒层400中，该颗粒层400通过粘合剂层402粘附到电子设备104。现在参考图3A，电子设备104的表面具有设置在其表面上的多个光致发光颗粒300。在一些实施例中，光致发光颗粒300以预定图案布置在基板102的表面上。在其它实施例中，光致发光颗粒300以随本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电子系统，包括：/n基板；/n结合到所述基板的电子设备；/n设置在所述电子设备上的多个光致发光颗粒；/n照射器，所述照射器用于照射所述电子设备；/n传感器，所述传感器用于捕获在所述电子设备不在负载下操作时光致发光颗粒在所述电子设备上的第一组位置以及在所述电子设备在负载下操作时光致发光颗粒的第二组位置；以及/n控制模块，所述控制模块用于至少部分地基于所述第一组位置与所述第二组位置之间的差异来确定所述电子设备上的热机械应力。/n

【技术特征摘要】
20191030 US 16/668,6041.一种电子系统，包括：
基板；
结合到所述基板的电子设备；
设置在所述电子设备上的多个光致发光颗粒；
照射器，所述照射器用于照射所述电子设备；
传感器，所述传感器用于捕获在所述电子设备不在负载下操作时光致发光颗粒在所述电子设备上的第一组位置以及在所述电子设备在负载下操作时光致发光颗粒的第二组位置；以及
控制模块，所述控制模块用于至少部分地基于所述第一组位置与所述第二组位置之间的差异来确定所述电子设备上的热机械应力。


2.如权利要求1所述的电子系统，其中当光致发光颗粒被所述照射器用紫外光照射时，光致发光颗粒发射可见光。


3.如权利要求1所述的电子系统，其中光致发光颗粒包括磷光体颗粒。


4.如权利要求1所述的电子系统，其中所述基板被结合到底板。


5.如权利要求1所述的电子系统，其中所述控制模块至少部分地基于所述第一组位置与所述第二组位置之间的差异来确定所述基板与所述电子设备之间的分层。


6.如权利要求1所述的电子系统，其中所述控制模块至少部分地基于所述第一组位置与所述第二组位置之间的差异来确定所述电子设备的应变图。


7.如权利要求6所述的电子系统，其中所述控制模块基于所述电子设备的表面的线性弹性模型将所述应变图转换成应力图。


8.如权利要求1所述的电子系统，其中所述传感器检测多个光致发光颗粒的发光的强度，并且所述控制模块至少部分地基于检测到的强度来确定所述电子设备上的热机械应力。


9.如权利要求1所述的电子系统，其中所述传感器检测多个光致发光颗粒的光致发光发射的波长，并且所述控制模块至少部分地基于检测到的光致发光发射的波长来确定所述电子设备上的热机械应力。

【专利技术属性】
技术研发人员：S·N·乔什，U·甘地，V·桑德里森，V·文卡塔斯，S·克里希南，
申请(专利权)人：丰田自动车工程及制造北美公司，俄亥俄州立大学，
类型：发明
国别省市：美国;US