用户案例集锦

为了追求更长续航、更高可靠性与更快充电速度，电动汽车正在拉动高压电子器件的市场需求。此外，风力发电场、数据中心和服务器集群等领域也在推动这类需求的快速增长。随着高压电子器件的应用需求不断攀升，其突发故障带来的各类风险也不容忽视。导致高压设备出现故障的原因大部分都与其所处的气候环境条件密切相关。具体而言，高环境湿度会导致电子器件表面产生冷凝水造成腐蚀，进而在电化学迁移（ECM）过程中产生杂散漏电流与枝晶短路的问题。预测、缓解腐蚀并主动进行抗腐蚀设计是丹麦技术大学（DTU）电子腐蚀研究中心（CELCORR）的重点研究方向，他们正携手行业合作伙伴，共同开发仿真模型与仿真 App，以构建更稳健的电子器件设计。他们的最终研究目标，是积累相关专业理论与技术成果，应用于制造出可耐受高湿度运行环境的电子产品。

电子故障：“并非高温所致，而是由湿度引发”

汽车电气化与可再生能源系统在能源产业链的各个环节都离不开电子设备。当这类电子设备（如图 1 所示的印刷电路板）受湿气影响时，就可能成为潜在的故障点。 “无论你在能源的生产、转换、输送还是使用的任何环节，都需要这些大功率电子系统，而它们都会受到湿度的影响。” 丹麦技术大学教授兼电子腐蚀研究中心（CELCORR）的负责人 Rajan Ambat 博士介绍说。环境中的湿气会渗入搭载此类电子器件的设备与机械内部，通过腐蚀引发非预期的功能故障。当这些电子设备应用于特定的高压场景（如风力发电场、数据中心、电动汽车和服务器集群）时，因受潮引发的故障甚至可能酿成火灾事故。

Ambat 表示：“可能会出现这样一种情况，有人在海边或高湿度地区安装太阳能电池板，没过多久设备内部就会形成易引发故障（导电）的条件。这也是我们需要准确理解形成冷凝的条件是如何形成、何时形成，以及系统又是如何失效的原因。”

Two simulations showing electrolyte potential on a PCB (top) and current density distributions on a PCB (bottom).

图 1. 印刷电路板（含过孔）表面的电解液电位与电流密度分布。

准确识别腐蚀是否为某些电子设备故障的根本原因，目前仍是一项难题。Ambat 解释道：“目前，高达 50% 的电子设备故障被归类为‘根本原因不明’。当工程师拆开设备系统进行检查时，往往无法意识到故障其实是腐蚀导致的，这是因为湿气会自行蒸发消散，且不会留下任何腐蚀痕迹，除非已经形成了明显的电化学迁移枝晶。” 正是这种普遍的认知缺失，强烈促成了 CELCORR 相关研究项目的开展。该研究中心将多物理场仿真作为辅助工具，帮助合作伙伴在产品设计阶段就能更好地预判与湿度相关的潜在问题

印刷电路板的湿度建模与参数变化检测

CELCORR 研究中心认为，识别并规避电子设备故障的最佳方式是打造更完善的设计方案，从源头更好地防止腐蚀产生，或是让设备能够承受更高的湿度负荷。该研究团队凭借自身建模专业能力开发出了仿真App，帮助合作企业评估并设计具备高湿度耐受可靠性的设计方案。

CELCORR 的博士后研究员 Anish Rao Lakkaraju 博士解释道：“我们正处在材料科学与电子行业的交叉点，通晓这两个领域的专业术语与知识体系，充当着它们之间的桥梁。”

为了厘清潜在的设计问题，Ambat 强调了在虚拟环境中拆解系统、从而找出问题可能出现位置的重要性。他指出：“我们需要借助仿真软件，分析设计方案的潜在应用场景，并判断新的设计方案的优劣。”

借助 COMSOL Multiphysics^® 仿真软件，CELCORR 研究团队联合奥尔堡大学等研究合作伙伴共同搭建了一个简化的示例模型，采用了简单的PCB电路板几何结构，既与团队自身的测试电路板相匹配，也符合其中一家合作企业所用设备的设计规格。随后，团队在模型表层添加了一层水膜用以模拟环境相对湿度，并基于此开展变量研究。Ambat 表示：“我们会根据实际工况，调整电路板布局、几何结构、电极间距、水膜厚度以及水膜电导率等参数。”

Ambat 及其团队针对这些变量产生的影响开展数据研究，能够甄别出哪一项变量对设备性能影响最大，同时判断是否可通过相关设计改动提升设备的抗腐蚀性能。Ambat 说：“我们假定电子器件表面会产生凝露（图 2），并针对不同设计参数计算电化学泄漏电流。计算得出的各部件之间的电化学电流数值，能够为我们判断印刷电路板是否会受到影响提供参考依据。”

A simulation of a water film condensation effect on a PCB.

图 2. 印刷电路板示例模型上 10 微米水膜的冷凝效应。

通过不断调整设计要素、反复求解模型方程，团队能够更深入地理解优质设计的关键所在。Lakkaraju 表示：“目前，我们的模型已迭代多个版本，我们对现阶段的物理仿真效果十分满意。” 不过，此次模拟仅是 CELCORR 总体目标的第一步，该项目旨在探明电子设备腐蚀的破坏机理，并找出规避腐蚀问题的最优方案。

借助仿真 App 测试设计方案

为了推广并并简化这类仿真模型的使用门槛，CELCORR 团队借助 COMSOL Multiphysics^® 中的 App 开发器，基于一个简易的三维电路板几何模型，为工业联盟的成员们开发了一个 App，其中还包含两个对偏置电极以及一层水膜，用以模拟引发腐蚀的潮湿环境。App 界面精简直观，用户可自行调整模型的输入参数。Lakkaraju 介绍：“我们聚焦核心基础原理，将合作伙伴最关心的核心问题进行了提炼，开发出两款几何结构极简、可多参数灵活调节的轻量化仿真 App。”

如图 3 和图 4 所示，这些简洁的仿真 App 旨在向企业直观展示在不同参数条件下，电极间距与湿层厚度如何影响水膜的漏电流。通过分析多项设计要素与参数，用户能够明确判断出哪些特定设计要素在提升设备湿度稳健性方面的相对优势。Lakkaraju 解释道：“我们开发的这些 App 确实起到了很大作用，为电子工程师提供了一种‘即插即用’式的解决方案。”

The user interface for one of CELCORR's simulation app, which includes input fields for electrode width, electrode depth, electrode height, water layer height, pitch distance, electrolyte conductivity, and anode voltage. An angled view of the model is shown.

图 3. CELCORR 开发的独立仿真 App 的用户界面（UI），展示了用户可调整的输入参数。

Lakkaraju 补充道：“通过使用这款 App（图 3），企业可以不受限制地自由处理各类变量。如果要在现实中依靠实体设计与测试复现这些情况会相当困难，而与我们合作的企业对这款 App 所提供的精准度非常满意。”

The user interface for one of CELCORR's simulation app, with a streamline plot in the Graphics window.

图 4. CELCORR 开发的一款仿真 App 的用户界面（UI），展示了包含阴极电压、堵塞长度等输入参数的流线图。

展望未来：复杂高压仿真

除了与行业联盟开展合作外，CELCORR 还致力于提升全球各界对“腐蚀如何影响电子设备”这一问题的整体认知。为了实现这一目标，Ambat 及其团队正在推进多项研究项目，其中包括不断为其模型增加复杂程度。在团队正在构建的一个三次电流分布模型中，研究人员深入剖析了二次电流分布模型所用到的各项基础输入参数，并进一步聚焦细化，逐一探究每项基础参数所包含的更细分输入变量产生的影响。

“接下来的重点，是研究这些各项详尽的输入参数各自发挥的作用。” Lakkaraju 表示。特别值得一提的是，团队正在深入研究质量传输特性以及化学反应的速率常数。

除了这些正在进行的研究，CELCORR 还在拓展其研究范围，着手针对大功率、高压系统的腐蚀问题开展研究。得益于 2024 年来自格兰富基金会（Grundfos Foundation）的一笔资助，CELCORR 成功建立了气候稳健电子设计中心（Centre for Climate Robust Electronics Design），正在逐步完善实验室设施与专业技术体系，以满足当下高压及大功率电子设备的耐湿稳健性要求。Ambat 总结道：“凭借 CELCORR 在材料与腐蚀领域独有的深厚研究积淀，我们有能力找出问题的根本原因，并为适应各种环境的稳健设计提供理论与技术支持。”

尽管已开展大量研究工作，CELCORR 仍持续依托 COMSOL Multiphysics^® 多物理场仿真软件的灵活适配能力开展相关工作。正如 Lakkaraju 所评论的：“这款软件的优势很突出，一个模型就能够轻松适配材料、几何结构和参数的各种组合，并支持在此基础上不断对模型进行迭代和深化，使用体验十分出色。”