PCS功率模块碰撞试验

PCS功率模块碰撞试验是验证电力转换系统核心组件在机械冲击环境下的结构完整性和功能可靠性的关键测试。通过模拟运输、安装及使用过程中可能遭受的撞击、跌落等突发冲击载荷，评估模块内部半导体器件、连接端子、散热结构的抗冲击性能，确保其在新能源车辆、储能系统等动态场景中维持功率转换效率与电气安全。该试验需遵循严苛的机械环境试验标准，采用多轴振动台与高精度传感器进行冲击波形复现和响应分析。

PCS功率模块碰撞试验目的

验证功率模块封装结构在突发冲击下的抗断裂能力，防止IGBT/MOSFET芯片因机械应力导致裂纹或脱焊

评估电气连接可靠性，避免PCB焊点、铜排螺栓在冲击后出现接触阻抗异常升高

检测散热系统稳定性，确保碰撞后热界面材料(TIM)仍能有效传导热量

验证灌封胶体的抗冲击性能，防止硅凝胶开裂造成内部电弧放电

满足车规级电子元件标准（如AEC-Q101）对机械冲击耐受性的强制要求

PCS功率模块碰撞试验方法

半正弦波冲击法：采用150g/0.5ms或300g/1ms等典型波形模拟极端冲击工况

冲击响应谱(SRS)分析法：通过多自由度振动台复现实际路谱冲击特征

多轴连续冲击法：在X/Y/Z轴向依次施加500次以上重复冲击载荷

组合环境试验法：在温度循环（-40℃~125℃）过程中同步施加机械冲击

PCS功率模块碰撞试验分类

按冲击方向：水平碰撞（模拟侧向撞击）、垂直碰撞（模拟跌落工况）

按加速度等级：Class 0（50g）至Class 5（500g）不同严酷度分级

按波形特征：半正弦波、后峰锯齿波、梯形波三种标准冲击波形

按应用场景：车规级（ISO 16750）、工业级（IEC 60068-2-27）等不同体系

PCS功率模块碰撞试验技术

采用液压伺服冲击台实现2000g以上高加速度冲击加载

激光多普勒测振技术实时监测模块基底形变（精度达0.1μm）

同步采集冲击过程中的漏电流（分辨率1nA）与热阻变化

有限元仿真预评估技术（ANSYS Mechanical）优化模块结构设计

PCS功率模块碰撞试验步骤

1、预处理：模块在25℃/60%RH环境中稳定24小时

2、初始检测：记录静态参数（热阻Rth、导通电阻Rds(on)）

3、工装固定：使用力矩扳手按10Nm标准紧固测试夹具

4、冲击加载：按标准波形在三个互相垂直轴向各施加3次冲击

5、恢复处理：试验后在标准大气条件下静置2小时

6、终测分析：对比冲击前后电气参数与X光检测结果

PCS功率模块碰撞试验所需设备

电磁式冲击试验台（峰值加速度≥500g，脉宽0.3-20ms可调）

三轴压电式加速度计（量程±5000g，频率响应0.5-10kHz）

动态信号分析仪（24位AD，采样率≥200kS/s）

高分辨率X光检测系统（像素尺寸≤5μm）

热成像仪（NETD≤50mK）用于冲击后热点检测

PCS功率模块碰撞试验参考标准

IEC 60749-25: 半导体器件机械冲击试验方法（规定50g-1500g等级）

GB/T 2423.5-2019 电工电子产品环境试验 第2部分：试验Ea和导则：冲击

AEC-Q101-005: 车用分立半导体元件机械冲击测试要求

ISO 16750-3: 道路车辆电气电子设备机械负荷试验标准

MIL-STD-883J Method 2002.3: 微电子器件机械冲击军用标准

JESD22-B104E: 电子器件机械冲击试验的统一标准

UL 62109-1: 光伏功率转换设备安全标准中的冲击试验条款

EN 60068-2-27: 环境试验.第2-27部分:试验方法 试验Ea和导则:冲击

GMW3172: 通用汽车电子元件冲击振动试验规范

SAE J1211: 重型车辆电子设备环境试验指南

PCS功率模块碰撞试验注意事项

必须使用防滑垫片防止模块与夹具间产生微动磨损

冲击波形上升时间需控制在标准值的±10%以内

需在每次冲击后检查螺栓紧固力矩（允许衰减≤15%）

禁止在模块通电状态下进行冲击试验

需监测试验过程中基板共振频率偏移（允许±5%偏差）

PCS功率模块碰撞试验合格判定

外观检查：壳体无开裂，灌封胶体无可见气泡或剥离

电气性能：导通电阻变化率≤3%，绝缘电阻≥100MΩ

热性能：热阻值波动范围在初始值的±5%以内

结构完整性：X光检测显示芯片偏移量＜50μm，焊点无裂纹

功能测试：满负荷运行72小时无异常关断或保护误动作

PCS功率模块碰撞试验应用场景

新能源汽车驱动电机控制器（需通过50g/11ms冲击测试）

储能系统双向变流器（满足IEC 61439-1机械强度要求）

轨道交通牵引变流器（EN 50155标准规定10g/16ms冲击）

矿用防爆变频器（需承受GB 3836.1规定的30g冲击）

舰船电力推进系统（符合MIL-STD-901D Grade A严酷等级）