電裝株式會社：汽車熱設(shè)計的發(fā)展現(xiàn)狀

引言

電裝株式會社 (DENSO Corporation) 是領(lǐng)先的汽車供應(yīng)商，致力于為全球大型汽車制造商設(shè)計和制造先進的車輛控制技術(shù)、系統(tǒng)和零件。電裝創(chuàng)立于1949年，總部位于日本刈谷市，在35個國家和地區(qū)經(jīng)營業(yè)務(wù)，全球員工人數(shù)約12萬人。該公司的電子系統(tǒng)業(yè)務(wù)部門提供發(fā)動機、傳送裝置、電源管理電子控制單元(ECU)以及半導(dǎo)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 (Electronics Engineering Division 2) 產(chǎn)品技術(shù)規(guī)劃部的項目經(jīng)理助理Takuya Shinoda見面商討電裝如何使用熱模擬來顯著減少設(shè)計時間與成本。Takuya Shinoda負責(zé)發(fā)動機控制裝置的熱設(shè)計。Shinoda精通機械和電氣學(xué)，才能非凡。正如他所說的，“熱設(shè)計將機械和電氣這兩個學(xué)科緊密相連。熱管理主要涉及機械問題，而熱在硅中產(chǎn)生，因此也有必要掌握電子學(xué)，才能正確地進行熱設(shè)計。”

設(shè)計挑戰(zhàn)

在制造高能效的環(huán)保汽車時，車輛及零件的ECU尤為復(fù)雜。成功的熱設(shè)計對制造商而言至關(guān)重要。

圖1：縮小元件尺寸推進散熱技術(shù)發(fā)展

促成這樣一個車輛系統(tǒng)的集成電路或場效應(yīng)晶體管(FET) 的結(jié)點溫度必須在正常工作的溫度范圍內(nèi)。由于不可能直接測量結(jié)點溫度，工程師過去常常根據(jù)對表面測量溫度的假設(shè)來預(yù)測電子元件的結(jié)點溫度，并設(shè)立更寬泛的設(shè)計冗度。

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

模擬節(jié)省產(chǎn)品設(shè)計時間和成本

Shinoda在一個展覽上首次見識到了電路板的流體流動視覺化效果，并在2006年開始尋找一種熱設(shè)計工具。電裝通過嚴(yán)格的基準(zhǔn)測試否決了其它工具，最終選擇了FloTHERM®和FloTHERM® PCB用于熱設(shè)計流程。

在電裝開始利用熱模擬之前，早期是通過物理ECU原型進行溫度測量。通常需要2-3周的時間來準(zhǔn)備進行半天的測試，而在產(chǎn)品成型之前這種測試可能要重復(fù)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(zhuǎn)變使熱設(shè)計相關(guān)的時間和成本在不到六年的時間內(nèi)降低了50%。電裝計劃進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

受益于熱專業(yè)技術(shù)集中化

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

在熱設(shè)計方面，設(shè)計人員通常主要通過改變外殼形狀來增強散熱效果。通過在熱設(shè)計團隊成員間分享外殼形狀與電子設(shè)計可以達到最佳效果。電裝已經(jīng)決定使用現(xiàn)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(shè)計組按照新規(guī)格重新設(shè)計了10%-20%的電路，而測量組量取了溫度進行熱分析。通過合作，電裝能夠在兩天內(nèi)制作出產(chǎn)品的工作熱模型。這離不開每個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(zhǔn)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(shè)計過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(dǎo)的T3Ster™以確定 ECU元件和熱界面電阻在模擬過程中的不同特性。T3Ster 數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性使電裝能夠提高其熱模擬的準(zhǔn)確性，使他們能夠放心利用模擬結(jié)果。

將 T3ster 測量數(shù)據(jù)輸入FloTHERM可以提高設(shè)計中的結(jié)點溫度預(yù)測準(zhǔn)確性，從而確保結(jié)點溫度不超過規(guī)定限值。這個要求非常高，需要對模擬模型有很強的信心。如今達成共識的結(jié)點溫度上升范圍必須控制在試驗數(shù)值的10%以內(nèi)。電裝希望到2015年將這一范圍進一步控制在5%以內(nèi)。

Shinoda解釋道：“JEDEC JESD51-14 標(biāo)準(zhǔn)于2010年發(fā)布。其精確性和可重復(fù)性遠遠超過遵循老標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)態(tài)測量。T3Ster 是市面上唯一符合這項新標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，能夠準(zhǔn)確估算熱阻和結(jié)點溫度。此外，使用 T3Ster 獨有的結(jié)構(gòu)函數(shù)，簡單精確的元件模型也可借由測量數(shù)據(jù)生成。”

電裝發(fā)現(xiàn)有必要通過電子元件進行準(zhǔn)確測量，以便提高模擬的精確性，從而消除設(shè)計中過多的熱工裕量。

FloTHERM產(chǎn)品系列(包括FloTHERM PCB和FloTHERM PACK)已經(jīng)成為一個重要的工具包，被用于電裝的整個熱設(shè)計流程。在通過 T3Ster 測量獲得的高精度封裝熱模型、材料特性數(shù)據(jù)和界面電阻值的支持下，明導(dǎo)的熱解決方案已經(jīng)幫助電裝在熱設(shè)計中實現(xiàn)超過90%的虛擬化，同時使開發(fā)時間和成本減少了50%以上，預(yù)計未來將得到進一步改善。

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