電裝株式會(huì )社：汽車(chē)熱設計的發(fā)展現狀

引言

電裝株式會(huì )社 (DENSO Corporation) 是領(lǐng)先的汽車(chē)供應商，致力于為全球大型汽車(chē)制造商設計和制造先進(jìn)的車(chē)輛控制技術(shù)、系統和零件。電裝創(chuàng )立于1949年，總部位于日本刈谷市，在35個(gè)國家和地區經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)，全球員工人數約12萬(wàn)人。該公司的電子系統業(yè)務(wù)部門(mén)提供發(fā)動(dòng)機、傳送裝置、電源管理電子控制單元(ECU)以及半導體傳感器、集成電路和電源模塊。

我與電裝第二電子工程部門(mén) (Electronics Engineering Division 2) 產(chǎn)品技術(shù)規劃部的項目經(jīng)理助理Takuya Shinoda見(jiàn)面商討電裝如何使用熱模擬來(lái)顯著(zhù)減少設計時(shí)間與成本。Takuya Shinoda負責發(fā)動(dòng)機控制裝置的熱設計。Shinoda精通機械和電氣學(xué)，才能非凡。正如他所說(shuō)的，“熱設計將機械和電氣這兩個(gè)學(xué)科緊密相連。熱管理主要涉及機械問(wèn)題，而熱在硅中產(chǎn)生，因此也有必要掌握電子學(xué)，才能正確地進(jìn)行熱設計。”

設計挑戰

在制造高能效的環(huán)保汽車(chē)時(shí)，車(chē)輛及零件的ECU尤為復雜。成功的熱設計對制造商而言至關(guān)重要。

圖1：縮小元件尺寸推進(jìn)散熱技術(shù)發(fā)展

促成這樣一個(gè)車(chē)輛系統的集成電路或場(chǎng)效應晶體管(FET) 的結點(diǎn)溫度必須在正常工作的溫度范圍內。由于不可能直接測量結點(diǎn)溫度，工程師過(guò)去常常根據對表面測量溫度的假設來(lái)預測電子元件的結點(diǎn)溫度，并設立更寬泛的設計冗度。

為應對當前激烈的價(jià)格競爭，保證質(zhì)量，優(yōu)化設計冗度和達到整體成本效益非常重要。

模擬節省產(chǎn)品設計時(shí)間和成本

Shinoda在一個(gè)展覽上首次見(jiàn)識到了電路板的流體流動(dòng)視覺(jué)化效果，并在2006年開(kāi)始尋找一種熱設計工具。電裝通過(guò)嚴格的基準測試否決了其它工具，最終選擇了FloTHERM®和FloTHERM® PCB用于熱設計流程。

在電裝開(kāi)始利用熱模擬之前，早期是通過(guò)物理ECU原型進(jìn)行溫度測量。通常需要2-3周的時(shí)間來(lái)準備進(jìn)行半天的測試，而在產(chǎn)品成型之前這種測試可能要重復多次。

自2006年起，電裝一直在加強對模擬軟件的使用，以便減少花在物理原型方面的時(shí)間和成本。2009年，對模擬與物理原型的使用之比為20:80，到2010年已提高到50:50。2012年則達到了70:30。這種轉變使熱設計相關(guān)的時(shí)間和成本在不到六年的時(shí)間內降低了50%。電裝計劃進(jìn)一步加大對模擬的使用，到2015年將這一比例提高到90:10以上。

圖2：熱管理方面的技術(shù)創(chuàng )新

受益于熱專(zhuān)業(yè)技術(shù)集中化

電裝通過(guò)熱技術(shù)集中化，成功在生產(chǎn)流程中引入熱分析，并將這種專(zhuān)業(yè)技術(shù)用于全公司。通過(guò)了解不同設計部門(mén)的需求，Shinoda的熱部門(mén)已經(jīng)能夠通過(guò)不斷實(shí)驗得出的經(jīng)驗，利用熱模擬來(lái)提高散熱效率，從而迅速改善設計質(zhì)量。

在熱設計方面，設計人員通常主要通過(guò)改變外殼形狀來(lái)增強散熱效果。通過(guò)在熱設計團隊成員間分享外殼形狀與電子設計可以達到最佳效果。電裝已經(jīng)決定使用現有的元件模型(圖3)。機械組創(chuàng )造了更小的產(chǎn)品外殼、電路設計組按照新規格重新設計了10%-20%的電路，而測量組量取了溫度進(jìn)行熱分析。通過(guò)合作，電裝能夠在兩天內制作出產(chǎn)品的工作熱模型。這離不開(kāi)每個(gè)小組的工程師的努力。

圖3:熱技術(shù)集中化的優(yōu)勢——模擬與測量

提高模擬準確性的特性

除了上文提及的希望不再使用物理原型，測量在電裝的熱設計過(guò)程中還起到非常重要的作用。為了支持熱模擬，電裝采用明導的T3Ster™以確定 ECU元件和熱界面電阻在模擬過(guò)程中的不同特性。T3Ster 數據的準確性使電裝能夠提高其熱模擬的準確性，使他們能夠放心利用模擬結果。

將 T3ster 測量數據輸入FloTHERM可以提高設計中的結點(diǎn)溫度預測準確性，從而確保結點(diǎn)溫度不超過(guò)規定限值。這個(gè)要求非常高，需要對模擬模型有很強的信心。如今達成共識的結點(diǎn)溫度上升范圍必須控制在試驗數值的10%以?xún)?。電裝希望到2015年將這一范圍進(jìn)一步控制在5%以?xún)取?/p>

Shinoda解釋道：“JEDEC JESD51-14 標準于2010年發(fā)布。其精確性和可重復性遠遠超過(guò)遵循老標準的穩態(tài)測量。T3Ster 是市面上唯一符合這項新標準的產(chǎn)品，能夠準確估算熱阻和結點(diǎn)溫度。此外，使用 T3Ster 獨有的結構函數，簡(jiǎn)單精確的元件模型也可借由測量數據生成。”

電裝發(fā)現有必要通過(guò)電子元件進(jìn)行準確測量，以便提高模擬的精確性，從而消除設計中過(guò)多的熱工裕量。

FloTHERM產(chǎn)品系列(包括FloTHERM PCB和FloTHERM PACK)已經(jīng)成為一個(gè)重要的工具包，被用于電裝的整個(gè)熱設計流程。在通過(guò) T3Ster 測量獲得的高精度封裝熱模型、材料特性數據和界面電阻值的支持下，明導的熱解決方案已經(jīng)幫助電裝在熱設計中實(shí)現超過(guò)90%的虛擬化，同時(shí)使開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本減少了50%以上，預計未來(lái)將得到進(jìn)一步改善。

Shinoda表示：“我們的印刷電路板設計人員使用FloTHERM PCB，這款產(chǎn)品擁有人性化的用戶(hù)界面，并且與FloTHERM PACK相連。此外我們也獲得了明導熱分析工具分銷(xiāo)商 IDAJ 和 KOZO KEIKAKU ENGINEERING(構造計畫(huà)研究所)的大力支持。”