原创 百年工业新思维　从汽车电子组件看散热设计

前言：随着汽车电子系统与设备整体热络发展，可以窥探出未来汽车工业发展的新气象，不过要如何将汽车电子系统设备中，包括：线路设计、组件散热、电路板散热设计，以及整个电子系统散热等问题获得最好的解决，而针对汽车电子系统的散热问题，本文将深入分析汽车电子组件对于散热的需求，以及设计与应用上考虑。

散热与抗热已成为必要的技术

「汽车」工业已经是发展了百余年的老产业，其中所涵盖的技术，包括：引擎、发电机、起动机、底盘、空调与照明…等众多技术也随之发展到今天，使得汽车不再只是交通运输工具的代名词，而是现实生活中不可或缺的必需品。而随着微机电技术及各类型车用电子装置的组装技术发展，使成具有高度整合性的电子系统。

从众多的研究中可得知，在目前汽车电子设备中所使用的功率组件，在经过一段长时间进行通电，并在开机进行运作之余，其设备内部或机壳的温度有可能会超过100℃，大大地增加车用电子设备的故障机率。因此，在目前电子装置逐日增高的热流密度（在某个单位时间中设备表面积吸收的热量），将带给汽车电子的设计人员，进行产品的结构设计阶段时，面临了「热源」所导致的严格挑战。

一般来说，举凡系统中的散热技术设计不良或功率组件选择不当，是目前车用电子设备发生失效、错误的重要原因之一。而车用电子设备中，如：安装位置与汽车轮胎接近的胎压检测系统（Tire Pressure Monitoring System；TPMS），除了轮胎与地面所产生的热源之外，所使用的电子组件工作寿命与工作温度将有最直接的关系；或者是因为功率组件及电路板发生热传导作用，以及设备内部功率密度不均匀的状态下，使得功率组件在高速运作、低电压和高复杂度等设计之下，大幅提升组件的温度变化，最后使得材料前后端受限制，使得温度急速提升造成热变形及热应力时，使得车用电子设备发生疲劳失效与故障的情形发生。


图说：汽车工业重视散热设计，主要的散热问题来自于功率组件的应用越来越多，再加上半导体制程技术发展，已将更多的晶体管被整合在单一芯片内，导致整体功率消耗及热量增加。图为FOXCONN所设计应用于计算机装置上的散热风扇。（刘家任摄）

电子功率组件「抗热」设计与要求

在过去的设计经验中，样品机对于热测试其最后所得到的结论大都只能作为参考之用，而不能作为实际设备与系统之间的对照，所以已无法再适用于目前汽车电子装置的研究、设计、生产、制造需求。因此，深入了解与经验的学习汽车电子设备中对于热的设计及热的分析技术，才是提高汽车电子设备对于热可靠性的重要参考价值。

从理论上来说，由于汽车电子所使用的功率组件，在应用阶段所承受的热应力可能是源自于组件动作时所产生的，但也可能来自环境条件下的外部影响。换句话说，由于组件在动作时所耗散的功率必须透过散热的形式，将动作之后所产生的热源给挥发出去，倘若所使用的功率组件的散热能力受到限制，则功率的耗散就会造成组件内部芯片的结温温度升高；如此一来，便会造成汽车系统可靠性降低，也就是说无法让汽车在绝对的安全状态下持续进行正常动作。因此，使用在汽车电子的功率组件对于热能力的温度限制，必须符合-40℃∼+125℃的应用环境温度，以及+150°C的结温温度。

再者，就是汽车电子组件的散热设计，一般的功率组件的散热能力大都是以热阻作为表示，而阻抗越大，则散热能力越差。热阻又分为内热阻和外热阻，内热阻是组件自身固有的热阻与机构外壳所使用的材料导热性、厚度和截面积，甚至是加工工艺制程技术有关。一般来说，机构外壳所使用的面积越大，则外热阻越小，金属外壳的外热阻就明显低于塑封管壳的外热阻。当功率组件的功率耗散达到一定程度时，组件的结温温度升高，导致汽车电子系统的可靠性降低，而为了提高汽车系统使用上的可靠度，必须针对功率组件进行的抗热设计与散热系统的考虑。



图说：在设计上让汽车电子设备的散热设计达到最佳可靠性及安全性，必须透过扩展温度范围技术，进一步提升系统对于温度变化的抵抗能力，甚至是利用组件供货商透过预先性的设计技术及限定方法，来因应环境温度对电子设备的影响。（刘家任摄）

车用电子系统之功率组件热设计

功率组件热设计是要防止组件出现过热或温度变化后所造成的热失效，这可以细分为组件内部芯片的热设计、封装的热设计与构造上的散热设计，以及功率组件实际使用中的热设计。相对于一般的功率组件来做为比较，在生产工艺阶段，就要充分考虑组件内部、封装与机构外壳的散热设计，当功率组件功耗较大时，依靠组件本身的散热，包括：芯片、封装及管壳的热设计，这并不能完全的满足汽车电子系统对于散热要求。功率组件结温可能会超出安全结温，此时需要安装合适的散热组件，经由散热组件进行有效率的散热，确保组件结温能够在安全结温的范围之内，能够长时间的在汽车上进行正常而可靠的运作。



图说：汽车电子产品必须在狭小的密闭空间中配置了许多发热组件，再加上操作环境的湿度，温度变化也显得更为快速，汽车电子产品在长时间运作下的温度，将会左右汽车电子产品可靠度与使用寿命。因此，散热设计更必须要利用热流分析软件，才能获得最精确判断。（www.tmtech.com）
选择最佳效果的散热组件

功率组件使用散热器是要控制功率组件的温度，尤其是结温，使其低于功率组件正常工作的安全结温，从而提高功率组件的可靠性，而功率组件散热器随着功率组件的发展，也获得了快速发展，使得一般常见的散热组件已经有了标准化、系列化、通用化的发展态势，而新产品则向低热阻、多功能、体积小、重量轻、适用于自动化生产与安装等方向发展。因此，选择可发挥最佳效果的散热组件与、设计散热器，将可能有效地降低汽车电子中功率组件的结温，进一步提升功率组件的可靠性。

各种功率组件的内热阻不同，安装散热器时由于接触面和安装力矩的不同，会导致功率组件与散热器之间的接触热阻不同。选择散热器的主要依据是散热器热阻，在不同的环境条件下，功率组件的散热情况也不同；因此，选择适合的散热器除了考虑环境因素之外，还必须视汽车电子设备与功率组件的匹配状况，以及整个汽车电子设备的大小、安装位置、设备重量等诸多因素。



图说：因应汽车电子组件散热问题，汽车电子业界正积极地发展具有高传热特性组件之外，也在各类型的散热模式朝向更为弹性化的原则设计，以解决汽车电子产品因为热所导致性能、可靠度等相关问题。图为应用于检测汽车胎压是否正常的轮胎压力检测装置。（www.cqqian.com）

功率和散热组件最佳化热设计

功率组件热设计和散热组件最佳化设计解决方案，首先必须依据汽车电子系统所使用的功率组件在正常工作状态下，所表现的性能参数和环境参数，如：汽车环境温度、组件功耗和结温等，进行计算出功率组件结温是否工作在安全结温之内，判断是否需要安装散热组件进行必要的散热作用。一方面透过功率组件所安装散热组件持续地进行散热作用，一方面精密的计算出相对应的散热元热阻，选择1个最佳的散热组件，重新计算出功率组件结温，判断功率组件结温是否在安全结温之内，以及所选散热组件是不是能够完全符合汽车环境的需求。至于所谓符合汽车环境要求的散热组件，则应根据实际汽车工程中进行必要的最佳化设计。

封装技术对电子组件的影响

从汽车与相关电子系统实际运作条件下，可知汽车电子系统必须要在高温环境下长时间动作，而且在负载的状态下，其温度范围还可能超过200℃。而目前封装技术的发展趋势，已经朝向封装尺寸缩减至最小，让单一功率组件产品提供更佳的电气与抗热效能。随着产品朝着智能功率组件的方向发展，最佳化的半导体组件将整合进单一、更小型的智能功率封装，为汽车电子产品带来所需的尺寸、电气、热量和环保的效能表现，这乃归功于RDS（ON）能降低一般的工作温度，其低电感也使组件适用汽车上高电流同步整流，这些封装并能改善热阻，进一步将工作温度降低。

基本上，汽车电子设备中所使用的组件与所有一般消费性电子组件一样，车用电子所应用的组件也朝着小型化发展。将控制电路整合于功率组件中，虽然能够降低组件的封装尺寸，但却会给本来已经充满挑战性的封装任务增加复杂性。封装不单只需要为组件提供良好的散热性能之外，同时还要将控制芯片与功率芯片产生的高压和强电流隔离开来。换句话说，汽车电子系统所使用的组件朝向小型化发展，不过却很容易因为散热面积的减少，而使得组件热管理变得更加复杂，即使组件功率维持不变也一样，更别说要如何提高电子组件的功率提升。

除了必须要提升电子组件的热密度增加之外，运用在汽车各个电子系统中的高温位置，其应用范围包括：引擎室中变速箱位置约为200℃，火星塞周围约为165℃、引擎室内的150℃，以至相对温度较温和的乘座车厢内，最大温度为80℃。根据汽车厂实际验证后发现，1部汽车冷起动的次数高达6,000次左右，其中引擎室内的温度将由40℃循环至150℃。有鉴于此，作为保护半导体组件避免受到过热的环境，以及相关应力的影响，已是封装的重要功能之一。

另一方面，因应电路小型化与更高温度承受力的持续追求之下，设计人员更必须充分了解功率半导体组件对于热的极限为何，以及汽车电子系统对于散热系统的管理技术，唯有如此，只有这样才能确保所设计产品能继续满足市场所要求的可靠性，使得封装技术的发展不单只是作为装载的组件接口，更绝对是功能强大的解决方案。



图说：为了能够让组件满足汽车标准上的要求，先进封装技术的发展不单只是作为装载的组件接口之外，更绝对是功能强大的解决方案。（www.Zetex.com）

用汽车质量标准　发展车用电子组件

目前汽车电子的应用市场，就像过去10几年前的军事电子应用市场，除了许多汽车所制定的产业标准之外，客制化的特殊要求也逐渐增多。而所谓客制化的规则，不绝对是汽车产业准则而是例外要求，才得以进一步确保组件在温度范围更大的汽车环境操作时，仍能提供最高的质量与可靠性，如此一来就必须在下列领域进行更多评估，包括：半导体组件采用目标封装技术，能够在最佳的建议操作条件下检查其可靠性与电子迁移性、操作温度范围内的电气特性，以及封装材料在更大温度范围下的效能确认。

一般来说，汽车电子系统的认证程序通常必须符合AEC Q-100的要求，又称之为通常称为生产性零件核准程序（Production Part Approval Process；PPAP）必须获得客户认可，才能将这些零件用于生产。这是针对集成电路制订的Q100规格，或针对分离组件制订的Q101规格要求，其中的测试包括：工作寿命、温度／湿度／偏压测试。比方说：电子组件功率的循环作用、汽车内外部温度循环，及高温下反向偏压（HTRB），最后透过特殊的汽车认证过程，就能确保质量系统与规格能持续满足汽车客户的要求。

转自中电网