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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

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以随机图案布置在基板102的表面上。

当电子设备104在负载下操作并升温时，电子设备104受到热机械应力，这导致电子设备104挠曲，电子设备104的表面上的光致发光颗粒300将随着电子设备104挠曲而移动。图3b示出了其中光致发光颗粒300已经从图3a的它们的初始起始位置(在图3b中用虚线图示)移动到新位置的示例。通过在电子设备104在负载下操作的同时监视光致发光颗粒300的移动，可以实时监视电子设备104上的热机械应力。

再次参考图1，照射器106被定位在电子设备104上方。照射器106用光致发光颗粒300的激发波长的光来照射电子设备104的表面。这触发了颗粒300的发光，使得颗粒300可以被传感器108看到。照射器106可以包括能够用光致发光颗粒300的激发波长的光照射电子设备104的表面的发光二极管、激光器或任何其它光源。

仍然参考图1，传感器108被定位在电子设备104上方。传感器108在光致发光颗粒300发光时捕获光致发光颗粒300的图像。即，传感器108捕获由光致发光颗粒300以其发射波长发射的光。在一些实施例中，传感器108是彩色相机。在其它实施例中，传感器108是黑白相机。在还有的其它实施例中，传感器108可以是被配置为在光致发光颗粒300发射其发射波长的光时捕获光致发光颗粒300的图像的另一设备。

如图1所示，照射器106和传感器108在水平方向上稍微偏移于电子设备104。在一些实施例中，照射器106或传感器108可以被定位在电子设备104正上方。如果照射器106或传感器108偏移于电子设备104，那么照射器106或传感器108可以成角度，使得它们指向电子设备104的表面。

在一些实施例中，照射器106和传感器108包括单个设备，该单个设备既用光致发光颗粒300的激发波长的光照射光致发光颗粒300，又在光致发光颗粒300发射其发射波长的光时捕获颗粒300的图像。图2c示出了定位在电子设备104正上方的示例设备210，该示例设备210既作为照射器又作为传感器操作。图2d示出了存在于电子设备104的表面上并且由传感器108捕获的光致发光颗粒300的示例图像220。在图2d的示例中，颗粒300的颗粒大小为300微米。

再次参考图1，控制模块110控制照射器106和传感器108的操作，并基于由传感器108捕获的图像确定电子设备104上的热机械应力，如本文中更详细解释的。控制模块110可以包括计算机。在一些实施例中，当电子设备104在负载下操作时，控制模块110通过监视光致发光颗粒300在电子设备104的表面上的移动来确定电子设备104上的热机械应力。

在操作中，当电子系统100不在负载下操作时，光致发光颗粒300被沉积在电子设备104的表面上。然后，照射器106照射电子设备104的表面，并且传感器108捕获电子设备104的表面的图像。该图像将显示光致发光颗粒300在电子设备104的表面上的初始位置。这可以用作与当电子设备104在负载下操作时对电子设备104的表面拍摄的图像进行比较的基线，如下面进一步详细说明的。

一旦传感器108捕获显示光致发光颗粒300在电子设备104的表面上的初始位置的电子设备104的图像，控制模块110就存储该图像和/或这些初始位置。然后，电子设备104在负载下操作。当电子设备104在负载下操作时，系统100通过连续地或定期地利用照射器106照射电子设备104的表面并利用传感器108捕获电子设备104的图像(例如，以每次图像捕获之间的设定时间间隔定期地捕获图像)来监视颗粒300的移动。

当电子设备104由于热机械应力而膨胀或收缩时，光致发光颗粒300将从其初始位置移动，如上文所述和图3b中所示。特别地，在电子设备104的表面上的膨胀或收缩的位置处的颗粒300将与电子设备104的该部分一起移动。因此，特定颗粒300的移动对应于电子设备104的特定部分的膨胀或收缩。通过可视化颗粒300在电子设备104的表面上的移动，可以可视化电子设备104上的应力。任何颗粒300从其初始位置的位移越大，电子设备104上在那些颗粒的位置处的应力越大。因此，通过将当电子设备104不在负载下操作时颗粒300的初始位置(例如，图3a中所示的位置)与当电子设备104在负载下操作时颗粒300的位置(例如，图3b中所示的位置)进行比较，控制模块110可以创建应变图，诸如图5中所示的示例应变图500。应变图500是绘制每个颗粒300沿着电子设备104的表面的位移量的热图。因此，应变图500示出了电子设备104上的每个位置处的应变量。

一旦针对电子设备104创建了应变图，控制模块110就将应变图转换成应力图，该应力图显示电子设备104上的每个位置处的应力量。在非限制性示例中，控制模块110使用电子设备104的表面的线性弹性模型将应变图转换成应力图。电子设备104的表面的线性弹性模型确定当电子设备104在负载下操作时颗粒300在电子设备104的表面上的预期位错(dislocation)。颗粒300的预期位错可以用作参考数据集。然后，如果颗粒300的实际位错大于来自参考数据的预期量，那么这指示由于例如对基板102和电子设备104之间的焊料层的损坏而导致电子设备104和基板102之间的粘附性差。当经受高温时，较差的粘附性可导致焊料比基板102膨胀更多。因此，可以将颗粒300在电子设备104的表面上的位错与对电子设备104的表面的损坏相关联。

各种开源软件可以用于执行上述分析以将应变图转换成应力图，诸如例如ni-corr和openftm。在一些实施例中，控制模块110将应变图转换成应力图，而不将颗粒300的实际位移与参考数据集进行比较。在这些实施例中，控制模块110使用包括基板102和电子设备104的材料的众所周知的性质来确定在电子设备104的操作期间颗粒300的预期位移。这些已知的材料性质允许控制模块110假设基板102和电子设备104之间的均匀粘附性来确定颗粒300的某个预期行为。然后，当电子设备104在负载下操作时，基于该预期行为与颗粒300的实际测量的位错之间的差异来创建应力图。

在一些实施例中，除了是光致发光的之外，颗粒300还具有热致发光的性质，使得颗粒300在被光照射时以其发射波长发射的光的强度响应于颗粒300的温度而改变。在这些实施例中，如果基板102和电子设备104之间的焊料层被损坏，那么在存在损坏的区域中，将不会有从电子设备104到基板102以及到基板102下面的冷却表面(诸如散热器114)的有效热传递。这可能导致在电子设备104上形成高温区域的袋(pocket)。在颗粒300具有热致发光的实施例中，颗粒300将在基板102与电子设备104之间存在明显温度差异的区域中更明亮地发射光。

在如上所述的颗粒300表现出热致发光的实施例中，当电子设备104不在负载下操作时，照射器106照射电子设备104的表面，并且传感器108测量颗粒300的发光强度。这可以用作颗粒300的基线发光强度。然后，当电子设备104在负载下操作时，照射器106再次照射电子设备104的表面，并且传感器108测量颗粒的发光强度。然后，控制模块110将当电子设备104在负载下操作时光致发光颗粒300的测量强度与基线发光强度进行比较，以基于电子设备104的表面上的每个位置处的差异来创建应变图。可以使用上述技术将应变图转换成应力图。在一些实施例中，控制模块110结合监视颗粒300的光致发光强度的方法来使用上述监视颗粒300的位移的方法，以确定对电子设备104的损坏。

在一些实施例中，当颗粒300经受温度变化时，颗粒300的光致发光发射的波长改变。在这些实施例中，传感器108检测颗粒300的发光发射的波长变化(例如，传感器可以是彩色相机)，并且控制模块110至少部分地基于该波长变化来创建电子设备104的应变图。然后可以使用上述技术将应变图转换成应力图。

现在应该理解，本文所述的实施例允许通过跟踪电力电子组件中的电子设备的表面上的光致发光颗粒的移动来实时可视化和监视电子设备上的热机械应力。通过监视电子设备在负载下操作时的这些应力，可以在发生对设备的重大损坏之前采取纠正措施。

注意的是，术语“基本上”和“大约”在本文中可以用来表示固有的不确定性程度，这种不确定性程度可能归因于任何定量比较、值、测量或其它表示。这些术语在本文中也被用来表示定量表示可以不同于所陈述的参考而不会导致所讨论的主题的基本功能变化的程度。

虽然本文已经图示和描述了特定的实施例，但是应该理解的是，在不脱离所要求保护的主题的精神和范围的情况下，可以做出各种其它改变和修改。此外，虽然本文已经描述了所要求保护的主题的各个方面，但是这些方面不需要组合使用。因此，意图是所附权利要求覆盖在所要求保护的主题的范围内的所有这样的改变和修改。