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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Systeme und Verfahren zur Erfassung thermomechanischer Spannungen bzw. Beanspruchungen oder Belastungen auf Halbleiterchips und im Besonderen Systeme und Verfahren zur Visualisierung und Modellierung thermomechanischer Spannungen auf Halbleiterchips mittels Photolumineszenz.
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HINTERGRUND
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Der Betrieb von Halbleitern in Leistungselektronik-Baugruppen in elektrifizierten Fahrzeugen und anderen Umgebungen mit hoher Wärmeentwicklung kann große Wärmeflüsse erzeugen. Aufgrund des ungleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen verschiedenen Schichten einer Leistungselektronik-Baugruppe können sich eine oder mehrere Schichten der Baugruppe aufgrund der thermomechanischen Spannungen biegen. Diese Bewegung kann dazu führen, dass der Halbleiterchip bricht oder anderweitig beschädigt wird.
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Somit besteht ein Bedarf an alternativen Systemen und Verfahren zur Messung thermomechanischer Spannungen, die während des Betriebs von Halbleitern in Leistungselektronik-B augruppen entstehen.
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KURZFASSUNG
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Bei einer Ausführung umfasst ein elektronisches System ein Substrat, eine mit dem Substrat verbundene bzw. gebondete elektronisches Vorrichtung, eine Mehrzahl von photolumineszierenden Partikeln bzw. Teilchen, die auf der elektronischen Vorrichtung angeordnet sind, eine Beleuchtungseinrichtung, einen Sensor und ein Steuermodul. Die Beleuchtungseinrichtung beleuchtet die elektronische Vorrichtung. Der Sensor erfasst einen ersten Satz von Positionen der photolumineszierenden Partikel auf der elektronischen Vorrichtung, wenn die elektronische Vorrichtung nicht unter einer Last arbeitet, und einen zweiten Satz von Positionen der photolumineszierenden Partikel, wenn die elektronische Vorrichtung unter einer Last arbeitet. Das Steuermodul bestimmt die thermomechanischen Spannungen bzw. die thermomechanische Beanspruchung oder Belastung der elektronischen Vorrichtung zumindest teilweise auf Basis einer Differenz zwischen dem ersten Satz von Positionen und dem zweiten Satz von Positionen.
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In einer anderen Ausführungsform umfasst ein Verfahren das Aufbringen einer Mehrzahl von photolumineszierenden Partikeln bzw. Teilchen auf einer Oberfläche einer elektronischen Vorrichtung, die mit einem Substrat verbunden bzw. gebondet ist, das Beleuchten der Oberfläche der elektronischen Vorrichtung mit Licht einer ersten Wellenlänge, wenn die elektronische Vorrichtung nicht unter Last arbeitet, und das Bestimmen eines ersten Satzes von Positionen der photolumineszierenden Partikel auf der elektronischen Vorrichtung, das Beleuchten der Oberfläche der elektronischen Vorrichtung mit Licht der ersten Wellenlänge, wenn die elektronische Vorrichtung unter Last arbeitet, und das Bestimmen eines zweiten Satzes von Positionen der photolumineszierenden Partikel auf der elektronischen Vorrichtung, und das Bestimmen der thermomechanischen Spannungen der elektronischen Vorrichtung zumindest teilweise auf Basis einer Differenz zwischen dem ersten Satz von Positionen und dem zweiten Satz von Positionen.
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Diese und zusätzliche Merkmale, die durch die hier beschriebenen Ausführungsformen angegeben werden, werden im Hinblick auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen besser verstanden.
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Figurenliste
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Die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen haben illustrativen und beispielhaften Charakter und sollen den durch die Ansprüche definierten Gegenstand nicht einschränken. Die folgende detaillierte Beschreibung der illustrativen Ausführungsformen kann verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Strukturen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind; hierbei zeigt:
- 1 schematisch eine Ansicht eines beispielhaften elektronischen Systems gemäß einer oder mehreren der hier gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen;
- 2A schematisch eine Ansicht eines anderen Beispiels eines elektronischen Systems gemäß einer oder mehreren der hier gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen;
- 2B eine perspektivische Ansicht eines Teils des elektronischen Systems von 2A;
- 2C eine perspektivische Ansicht eines Teils des elektronischen Systems von 2A;
- 2D zeigt ein Beispielbild, das vom Substrat aus 2C aufgenommen wurde;
- 3A eine beispielhafte Anordnung von photolumineszierenden Partikeln auf einem Substrat im elektronischen System von 1;
- 3B ein Beispiel für die Bewegung von photolumineszierenden Partikeln auf einem Substrat im elektronischen System von 1;
- 4 schematisch eine Anordnung von Schichten im elektronischen System von 1;
- 5 eine beispielhafte Dehnungsabbildung eines Halbleiterchips im elektronischen System von 1.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 zeigt allgemein eine Ausführungsform eines elektronischen Systems. Das elektronische System von 1 besteht aus einer elektronischen Vorrichtung, die mit einem Substrat verbunden bzw. gebondet ist, einer Beleuchtungseinrichtung, einem Sensor und einem Steuermodul. Auf der elektronischen Vorrichtung ist eine Mehrzahl von photolumineszierenden Partikeln angeordnet. Die Beleuchtungseinrichtung kann die elektronische Vorrichtung beleuchten, um die photolumineszierenden Partikel so zum Leuchten zu bringen, dass der Sensor ihre Position erfassen kann. Während des Betriebs des elektronischen Systems können thermomechanische Spannungen die elektronische Vorrichtung ermüden und schließlich aufgrund von Rissen und/oder einer Delamination bzw. Ablösung der Lötverbindung zwischen der elektronischen Vorrichtung und dem Substrat ausfallen.
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Die hier offenbarten Systeme und Verfahren ermöglichen eine Echtzeit-Visualisierung der Spannungen auf der elektronischen Vorrichtung, was die Erkennung von Rissen in der elektronischen Vorrichtung und/oder einer Delamination zwischen der elektronischen Vorrichtung und einem Substrat während des Betriebs der elektronischen Vorrichtung ermöglicht. Durch die Erkennung dieser Probleme in Echtzeit können Korrekturmaßnahmen ergriffen werden, bevor das Problem zu schwerwiegend wird.
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Das Vorhandensein der photolumineszierenden Partikel auf der elektronischen Vorrichtung ermöglicht die Überwachung der thermomechanischen Spannungen auf der elektronischen Vorrichtung in Echtzeit, wie hierin beschrieben. Wenn die elektronische Vorrichtung unter Last arbeitet, beleuchtet die Beleuchtungseinrichtung die photolumineszierenden Partikel, so dass sie lumineszieren und der Sensor ihre Bewegung verfolgen kann. Die Bewegung der Partikel kann dann dazu verwendet werden, die thermomechanischen Spannungen der elektronischen Vorrichtung zu überwachen, so dass erforderlichenfalls Korrekturmaßnahmen ergriffen werden können, bevor ein erheblicher Schaden eintritt.
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Unter Bezugnahme auf 1 wird nun eine Ausführungsform eines elektronischen Systems 100 erläutert. Das elektronische System 100 besteht im Allgemeinen aus einem Substrat 102, einer elektronischen Vorrichtung 104, die mit dem Substrat 102 verbunden bzw. gebondet ist, einer Beleuchtungseinrichtung 106, einem Sensor 108 und einem Steuermodul 110.
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Das Substrat 102 ist die Basis, mit der die elektronische Vorrichtung 104 verbunden bzw. gebondet ist, und kann jedes geeignete Substrat sein. Nicht einschränkende Beispiele sind Kupfer, Direct bonded Copper (BDC), eine metallinverse Opalschicht und dergleichen. In einigen Ausführungsformen ist die elektronische Vorrichtung 104 ein Halbleiter, der Teil einer Leistungssteuereinheit in einem elektrifizierten Fahrzeug ist, die sich ein- und ausschaltet, um Gleichspannung in Wechselspannung umzuwandeln. In anderen Ausführungsformen kann die elektronische Vorrichtung 104 eine andere elektronische Komponente als ein Halbleiter sein und in anderen Umgebungen und als Teil anderer elektronischer Systeme für andere Zwecke verwendet werden.
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Unter Bezugnahme auf 2A wird ein weiteres Beispiel für ein elektronisches System 200 erläutert. In dem nicht-begrenzenden Beispiel von 2A besteht das elektronische System 200 aus dem Substrat 102 von 1 und zwei elektronischen Vorrichtungen 104 von 1, die mit dem Substrat 102 verbunden sind. Die Vorrichtungen 104 sind mit einer Lötschicht 103 mit dem Substrat 102 verbunden. Die Vorrichtungen 104 können über Drähte 107 mit einer Sammelschiene 105 verbunden werden. Die Sammelschiene 105 koppelt die Vorrichtungen 104 elektrisch mit anderen Komponenten in einer Leistungselektronik-Baugruppe. Darüber hinaus besteht das elektronische System 200 aus einer Grundplatte 112 und einem Kühlkörper 114. Die Grundplatte 112 kann die Basis für das Substrat 102 bilden und kann aus jedem geeigneten Material wie Kupfer, Aluminium und dergleichen bestehen. Der Kühlkörper 114 kann zur Kühlung des Substrats 102 und der elektronischen Vorrichtung 104 verwendet werden. Das elektronische System 200 ist in einem Gehäuse 116 untergebracht.
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2B zeigt eine perspektivische Ansicht des Substrats 102 und der elektronischen Vorrichtung 104, die mit dem Substrat 102 verbunden ist. Da die elektronische Vorrichtung 104 unter Last betrieben wird, kann eine große Menge an Wärme erzeugt werden. Unterschiede zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats 102 und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der elektronischen Vorrichtung 104 können dazu führen, dass thermomechanische Spannungen auf die elektronische Vorrichtung 104 wirken. Dies kann dazu führen, dass sich Teile der elektronischen Vorrichtung 104 in x- und/oder y-Richtung ausdehnen oder zusammenziehen (z.B. biegen), wie in 2B dargestellt. Wie oben erläutert, kann dies zu Schäden an der elektronischen Vorrichtung 104 führen.
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Um die Ausdehnung oder Kontraktion der elektronischen Vorrichtung 104 sichtbar zu machen, ist eine Mehrzahl von photolumineszierenden Partikeln 300 auf die Oberfläche der elektronischen Vorrichtung 104 aufgebracht, wie in 2C dargestellt. Die Partikel 300 haben die Eigenschaft der Photolumineszenz, so dass sie, wenn sie mit Licht einer bestimmten Wellenlänge (einer Anregungswellenlänge) beleuchtet werden, Licht einer anderen Wellenlänge (einer Emissionswellenlänge) emittieren.
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In einigen Ausführungsformen sind die photolumineszierenden Partikel 300 Phosphorpartikel, die sichtbares Licht emittieren, wenn sie mit ultraviolettem Licht beleuchtet werden (d.h. die Anregungswellenlänge der Partikel 300 liegt im ultravioletten Teil des elektromagnetischen Spektrums und die Emissionswellenlänge der Partikel 300 liegt im sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums). Insbesondere haben die photolumineszierenden Partikel 300 in einigen Ausführungsformen eine Anregungswellenlänge zwischen etwa 345-350 nm und eine Emissionswellenlänge zwischen etwa 530-540 nm. Es sollte verstanden werden, dass die Partikel 300 in anderen Teilen des elektromagnetischen Spektrums andere Anregungs- und Emissionswellenlängen haben können.
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Phosphor ist besonders wünschenswert für die Verwendung im hier beschriebenen elektronischen System 100, da Phosphor bei hohen Temperaturen stabil ist. In anderen Ausführungsformen können die Partikel 300 jedoch auch andere Materialien wie aggregierte Quantenpunkte oder andere photochrome Materialien enthalten, solange die Materialien geeignete photolumineszente Eigenschaften haben.
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Die photolumineszierenden Partikel 300 können eine Partikelgröße (z.B. einen Partikeldurchmesser) im Bereich von 220 nm (die ungefähre menschliche Sichtgrenze) bis 20 Mikrometer haben. In einem nicht einschränkenden Beispiel haben die photolumineszierenden Partikel 300 eine Partikelgröße zwischen 5-15 Mikrometer. In einigen Ausführungen werden die Partikel 300 mit einem sprühfähigen Klarlack auf die Oberfläche der elektronischen Vorrichtung 104 aufgebracht. In anderen Ausführungsformen können andere Verfahren verwendet werden, um die Partikel 300 auf die Oberfläche der elektronischen Vorrichtung 104 aufzubringen. Unter Bezugnahme auf 4 werden in einigen Ausführungen die photolumineszierenden Partikel 300 in einer Partikelschicht 400 bereitgestellt, die durch eine Bindemittelschicht 402 auf die elektronische Vorrichtung 104 geklebt wird.
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Unter Bezugnahme auf 3A hat eine Oberfläche der elektronischen Vorrichtung 104 eine Mehrzahl von photolumineszierenden Partikeln 300 auf ihrer Oberfläche. In einigen Ausführungsformen sind die photolumineszierenden Partikel 300 auf der Oberfläche des Substrats 102 in einem vorbestimmten Muster angeordnet. In anderen Ausführungsformen sind die photolumineszierenden Partikel 300 auf der Oberfläche des Substrats 102 in einem zufälligen Muster angeordnet.
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Wenn die elektronische Vorrichtung 104 unter Last betrieben wird und sich erwärmt, wird sie thermomechanischen Spannungen ausgesetzt, die dazu führen, dass sich die elektronische Vorrichtung 104 biegt, wobei sich die photolumineszierenden Partikel 300 auf der Oberfläche der elektronischen Vorrichtung 104 bewegen, wenn sich die elektronische Vorrichtung 104 biegt. 3B zeigt ein Beispiel, bei dem sich die photolumineszierenden Partikel 300 von ihren ursprünglichen Ausgangspositionen von 3A (in 3B mit gestrichelten Linien dargestellt) zu neuen Positionen bewegt haben. Durch die Überwachung der Bewegung der photolumineszierenden Partikel 300, während die elektronische Vorrichtung 104 unter Last arbeitet, können die thermomechanischen Spannungen der elektronischen Vorrichtung 104 in Echtzeit überwacht werden.
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Erneut Bezug nehmend auf 1 ist die Beleuchtungseinrichtung 106 über der elektronischen Vorrichtung 104 positioniert. Die Beleuchtungseinrichtung 106 beleuchtet die Oberfläche der elektronischen Vorrichtung 104 mit Licht mit der Anregungswellenlänge der photolumineszierenden Partikel 300. Dies löst die Lumineszenz der Partikel 300 aus, so dass sie für den Sensor 108 sichtbar werden. Die Beleuchtungseinrichtung 106 kann eine Leuchtdiode, einen Laser oder eine andere Lichtquelle umfassen, die in der Lage ist, die Oberfläche der elektronischen Vorrichtung 104 mit Licht der Anregungswellenlänge der photolumineszierenden Partikel 300 zu beleuchten.
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Weiterhin Bezug nehmend 1 ist der Sensor 108 über der elektronischen Vorrichtung 104 positioniert. Der Sensor 108 nimmt ein Bild der photolumineszierenden Partikel 300 auf, während diese leuchten. Das heißt, der Sensor 108 erfasst Licht, das von den photolumineszierenden Partikeln 300 in ihrer Emissionswellenlänge emittiert wird. In einigen Ausführungsformen ist der Sensor 108 eine Farbkamera. In anderen Ausführungsformen ist der Sensor 108 eine Schwarz-Weiß-Kamera. In noch anderen Ausführungsformen kann der Sensor 108 eine andere Vorrichtung sein, die so konfiguriert ist, dass sie ein Bild der photolumineszierenden Partikel 300 einfängt, wenn diese Licht in ihrer Emissionswellenlänge emittieren.
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Wie in 1 dargestellt, sind die Beleuchtungseinrichtung 106 und der Sensor 108 in horizontaler Richtung leicht versetzt zur elektronischen Einrichtung 104 angeordnet. In einigen Ausführungen können die Beleuchtungseinrichtung 106 oder der Sensor 108 direkt über der elektronischen Vorrichtung 104 angeordnet sein. Wenn die Beleuchtungseinrichtung 106 oder der Sensor 108 gegenüber der elektronischen Vorrichtung 104 versetzt sind, können die Beleuchtungseinrichtung 106 oder der Sensor 108 so abgewinkelt sein, dass sie auf die Oberfläche der elektronischen Vorrichtung 104 gerichtet sind.
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In einigen Ausführungsformen bestehen die Beleuchtungseinrichtung 106 und der Sensor 108 aus einer einzigen Vorrichtung, die sowohl die photolumineszierenden Partikel 300 mit Licht in ihrer Anregungswellenlänge beleuchtet als auch ein Bild der Partikel 300 einfängt, während sie Licht in ihrer Emissionswellenlänge aussenden. 2C zeigt eine beispielhafte Vorrichtung 210, die direkt über der elektronischen Vorrichtung 104 positioniert ist und sowohl als Beleuchtungseinrichtung als auch als Sensor arbeitet. 2D zeigt ein Beispielbild 220 der photolumineszierenden Partikel 300, die sich auf der Oberfläche der elektronischen Vorrichtung 104 befinden und vom Sensor 108 erfasst werden. Im Beispiel von 2D haben die Partikel 300 eine Partikelgröße von 300 Mikrometer.
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Erneut Bezug nehmend auf 1 steuert das Steuermodul 110 den Betrieb der Beleuchtungseinrichtung 106 und des Sensors 108 und bestimmt die thermomechanischen Spannungen der elektronischen Vorrichtung 104 auf Basis der vom Sensor 108 aufgenommenen Bilder, wie hier näher erläutert wird. Das Steuermodul 110 kann einen Computer umfassen. In einigen Ausführungen bestimmt das Steuermodul 110 die thermomechanischen Spannungen der elektronischen Vorrichtung 104, indem es die Bewegung der photolumineszierenden Partikel 300 auf der Oberfläche der elektronischen Vorrichtung 104 überwacht, während die elektronische Vorrichtung 104 unter Last arbeitet.
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Im Betrieb lagern sich die photolumineszierenden Partikel 300 auf der Oberfläche der elektronischen Vorrichtung 104 ab, während das elektronische System 100 nicht unter Last arbeitet. Die Beleuchtungseinrichtung 106 beleuchtet dann die Oberfläche der elektronischen Vorrichtung 104, und der Sensor 108 erfasst ein Bild der Oberfläche der elektronischen Vorrichtung 104. Dieses Bild zeigt die Anfangspositionen der photolumineszierenden Partikel 300 auf der Oberfläche der elektronischen Vorrichtung 104. Dies kann als Ausgangslage zum Vergleich mit Bildern verwendet werden, die von der Oberfläche der elektronischen Vorrichtung 104 aufgenommen wurden, wenn diese unter Last arbeitet, wie weiter unten näher erläutert wird.
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Sobald der Sensor 108 ein Bild der elektronischen Vorrichtung 104 aufnimmt, das die Anfangspositionen der photolumineszierenden Partikel 300 auf der Oberfläche der elektronischen Vorrichtung 104 zeigt, speichert das Steuermodul 110 dieses Bild und/oder diese Anfangspositionen. Die elektronische Vorrichtung 104 wird dann unter Last betrieben. Während die elektronische Vorrichtung 104 unter Last betrieben wird, überwacht das System 100 die Bewegung der Partikel 300, indem es die Oberfläche der elektronischen Vorrichtung 104 kontinuierlich oder periodisch mit dem Beleuchtungsmodul 106 beleuchtet und mit dem Sensor 108 ein Bild der elektronischen Vorrichtung 104 aufnimmt (z.B. periodische Aufnahme eines Bildes mit einem festgelegten Zeitintervall zwischen den einzelnen Bildaufnahmen).
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Wenn sich die elektronische Vorrichtung 104 aufgrund der thermomechanischen Spannungen ausdehnt oder zusammenzieht, bewegen sich die photolumineszierenden Partikel 300 aus ihren Ausgangspositionen, wie oben erläutert und in 3B dargestellt. Insbesondere bewegen sich die Partikel 300 an Stellen auf der Oberfläche der elektronischen Vorrichtung 104, die sich ausdehnen oder zusammenziehen, mit diesem Teil der elektronischen Vorrichtung 104 mit. Somit entspricht die Bewegung bestimmter Partikel 300 einer Ausdehnung oder Kontraktion bestimmter Teile der elektronischen Vorrichtung 104. Durch Visualisierung der Bewegung der Partikel 300 auf der Oberfläche der elektronischen Vorrichtung 104 können die Spannungen auf der elektronischen Vorrichtung 104 sichtbar gemacht werden. Je größer die Verschiebung eines der Partikel 300 aus seiner Anfangsposition ist, desto größer ist die auf die elektronische Vorrichtung 104 an den Stellen dieser Partikel wirkende Spannung. Durch Vergleichen der Anfangspositionen der Partikel 300, wenn die elektronische Vorrichtung 104 nicht unter Last arbeitet (z.B. die in 3A gezeigten Positionen), mit den Positionen der Partikel 300, wenn die elektronische Vorrichtung 104 unter Last arbeitet (z.B. die in 3B gezeigten Positionen), kann das Steuermodul 110 eine Dehnungsabbildung wie die in 5 gezeigte beispielhafte Dehnungsabbildung 500 erstellen. Die Dehnungsabbildung 500 ist eine Heatmap, die den Betrag der Verschiebung jedes der Partikel 300 entlang der Oberfläche der elektronischen Vorrichtung 104 darstellt. Somit zeigt die Dehnungsabbildung 500 das Ausmaß der Dehnung an jedem Ort auf der elektronischen Vorrichtung 104.
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Sobald eine Dehnungsabbildung für die elektronische Vorrichtung 104 erstellt ist, wandelt das Steuermodul 110 die Dehnungsabbildung in eine Spannungsabbildung um, die das Ausmaß der Spannungen an jeder Stelle auf der elektronischen Vorrichtung 104 anzeigt. In einem nichtbegrenzenden Beispiel wandelt das Steuermodul 110 die Dehnungsabbildung unter Verwendung eines linear-elastischen Modells der Oberfläche der elektronischen Vorrichtung 104 in eine Spannungsabbildung um. Ein linear-elastisches Modell der Oberfläche der elektronischen Vorrichtung 104 bestimmt die erwartete Verschiebung der Partikel 300 auf der Oberfläche der elektronischen Vorrichtung 104, wenn die elektronische Vorrichtung 104 unter Last betrieben wird. Die erwartete Verschiebung der Partikel 300 kann als Referenzdatensatz verwendet werden. Wenn dann die tatsächliche Verschiebung der Partikel 300 größer ist als die anhand der Referenzdaten erwartete Menge, deutet dies darauf hin, dass es eine schlechte Haftung zwischen der elektronischen Vorrichtung 104 und dem Substrat 102 gibt, z.B. aufgrund einer Beschädigung der Lötschicht zwischen dem Substrat 102 und der elektronischen Vorrichtung 104. Schlechte Haftung kann dazu führen, dass sich das Lot bei hohen Temperaturen stärker ausdehnt als das Substrat 102. So kann die Verschiebung der Partikel 300 auf der Oberfläche der elektronischen Vorrichtung 104 mit einer Beschädigung der Oberfläche der elektronischen Vorrichtung 104 korreliert werden.
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Zur Durchführung der obigen Analyse kann eine Mehrzahl von Open-Source-Software verwendet werden, um eine Dehnungsabbildung in eine Spannungsabbildung umzuwandeln, wie z.B. NI-CORR und Open FTM. In einigen Ausführungsformen konvertiert das Steuermodul 110 eine Dehnungsabbildung in eine Spannungsabbildung, ohne die tatsächliche Verschiebung der Partikel 300 mit einem Referenzdatensatz zu vergleichen. In diesen Ausführungsformen verwendet das Steuermodul 110 bekannte Eigenschaften der Materialien, aus denen das Substrat 102 und die elektronische Vorrichtung 104 bestehen, um die erwartete Verschiebung der Partikel 300 während des Betriebs der elektronischen Vorrichtung 104 zu bestimmen. Diese bekannten Materialeigenschaften ermöglichen es dem Steuermodul 110, ein bestimmtes erwartetes Verhalten der Partikel 300 unter der Annahme einer gleichmäßigen Haftung zwischen dem Substrat 102 und der elektronischen Vorrichtung 104 zu bestimmen. Dann wird eine Spannungsabbildung erstellt, die auf den Unterschieden zwischen diesem erwarteten Verhalten und der tatsächlich gemessenen Verschiebung der Partikel 300 basiert, während die elektronische Vorrichtung 104 unter Last arbeitet.
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In einigen Ausführungsformen haben die Partikel 300 nicht nur die Eigenschaft der Photolumineszenz, sondern auch die der Thermolumineszenz, so dass sich die Intensität des Lichts, das sie aussenden, während sie mit Licht ihrer Anregungswellenlänge beleuchtet werden, als Reaktion auf ihre Temperatur ändert. Wenn in diesen Ausführungsformen eine Lötschicht zwischen dem Substrat 102 und der elektronischen Vorrichtung 104 beschädigt ist, gibt es in den Bereichen, in denen eine Beschädigung vorliegt, keine effektive Wärmeübertragung von der elektronischen Vorrichtung 104 zum Substrat 102 und zu einer Kühlfläche unter dem Substrat 102, wie z.B. dem Kühlkörper 114. Dies kann dazu führen, dass sich auf der elektronischen Vorrichtung 104 Taschen mit Hochtemperaturbereichen bilden. In Ausführungsformen, in denen die Partikel 300 Thermolumineszenz aufweisen, werden die Partikel 300 in Bereichen, in denen es einen signifikanten Temperaturunterschied zwischen dem Substrat 102 und der elektronischen Vorrichtung 104 gibt, helleres Licht ausstrahlen.
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In Ausführungsformen, in denen die Partikel 300 wie oben beschrieben Thermolumineszenz aufweisen, beleuchtet die Beleuchtungseinrichtung 106 die Oberfläche der elektronischen Vorrichtung 104 und der Sensor 108 misst die Intensität der Lumineszenz der Partikel 300, wenn die elektronische Vorrichtung 104 nicht unter Last arbeitet. Dies kann als Basis-Lumineszenz-Intensität der Partikel 300 verwendet werden. Dann, während die elektronische Vorrichtung 104 unter Last arbeitet, beleuchtet die Beleuchtungseinrichtung 106 erneut die Oberfläche der elektronischen Vorrichtung 104, und der Sensor 108 misst die Lumineszenz-Intensität der Partikel 300. Das Steuermodul 110 vergleicht dann die gemessenen Intensitäten der photolumineszierenden Partikel 300, während die elektronische Vorrichtung 104 unter Last arbeitet, mit der Basis-Lumineszenz-Intensität, um auf Basis der Differenz an jedem Ort auf der Oberfläche der elektronischen Vorrichtung 104 eine Dehnungsabbildung zu erstellen. Die Dehnungsabbildung kann mit den oben beschriebenen Techniken in eine Spannungsabbildung umgewandelt werden. In einigen Ausführungsformen verwendet das Steuermodul 110 das oben beschriebene Verfahren zur Überwachung der Verschiebung der Partikel 300 in Kombination mit dem Verfahren zur Überwachung der Photolumineszenz-Intensität der Partikel 300, um Schäden an der elektronischen Vorrichtung 104 zu bestimmen.
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In einigen Ausführungsformen ändert sich die Wellenlänge der Photolumineszenz-Emission der Partikel 300, wenn die Partikel 300 einer Temperaturänderung ausgesetzt werden. In diesen Ausführungsformen erfasst der Sensor 108 die Änderung der Wellenlänge der Lumineszenzemission der Partikel 300 (z.B. kann der Sensor eine Farbkamera sein), und das Steuermodul 110 erstellt eine Dehnungsabbildung der elektronischen Vorrichtung 104, die zumindest teilweise auf dieser Wellenlängenänderung basiert. Die Dehnungsabbildung kann dann mit den oben beschriebenen Techniken in eine Spannungsabbildung umgewandelt werden.
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Es sollte nun verstanden werden, dass es mit den hier beschriebenen Ausführungsformen möglich ist, thermomechanische Spannungen auf elektronischen Vorrichtungen in Leistungselektronik-Baugruppen in Echtzeit zu visualisieren und zu überwachen, indem die Bewegung von photolumineszierenden Partikeln auf der Oberfläche von elektronischen Vorrichtungen verfolgt wird. Durch die Überwachung dieser Spannungen während eine elektronische Vorrichtung unter Last arbeitet, können Korrekturmaßnahmen ergriffen werden, bevor ein signifikanter Schaden an der Vorrichtung auftritt.
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Es sei angemerkt, dass die Begriffe „wesentlich“ und „ungefähr“ hier verwendet werden können, um den inhärenten Unsicherheitsgrad darzustellen, der jedem quantitativen Vergleich, Wert, jeder Messung oder anderen Darstellung zugeschrieben werden kann. Diese Begriffe werden hier auch verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne zu einer Änderung der Grundfunktion des fraglichen Gegenstandes zu führen.
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Obwohl hierin bestimmte Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben wurden, sollte man sich darüber im Klaren sein, dass verschiedene andere Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von der Idee und dem Umfang des beanspruchten Gegenstands abzuweichen. Auch wenn hier verschiedene Aspekte des beanspruchten Gegenstands beschrieben wurden, brauchen diese Aspekte nicht in Kombination verwendet werden. Es ist daher beabsichtigt, dass die beigefügten Ansprüche alle derartigen Änderungen und Modifikationen abdecken, die in den Anwendungsbereich des beanspruchten Gegenstands fallen.
