電裝株式會社：汽車熱設計的發展現狀

引言

電裝株式會社 (DENSO Corporation) 是領先的汽車供應商，致力于為全球大型汽車制造商設計和制造先進的車輛控制技術、系統和零件。電裝創立于1949年，總部位于日本刈谷市，在35個國家和地區經營業務，全球員工人數約12萬人。該公司的電子系統業務部門提供發動機、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 (Electronics Engineering Division 2) 產品技術規劃部的項目經理助理Takuya Shinoda見面商討電裝如何使用熱模擬來顯著減少設計時間與成本。Takuya Shinoda負責發動機控制裝置的熱設計。Shinoda精通機械和電氣學，才能非凡。正如他所說的，“熱設計將機械和電氣這兩個學科緊密相連。熱管理主要涉及機械問題，而熱在硅中產生，因此也有必要掌握電子學，才能正確地進行熱設計。”

設計挑戰

在制造高能效的環保汽車時，車輛及零件的ECU尤為復雜。成功的熱設計對制造商而言至關重要。

圖1：縮小元件尺寸推進散熱技術發展

促成這樣一個車輛系統的集成電路或場效應晶體管(FET) 的結點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溫度，工程師過去常常根據對表面測量溫度的假設來預測電子元件的結點溫度，并設立更寬泛的設計冗度。

為應對當前激烈的價格競爭，保證質量，優化設計冗度和達到整體成本效益非常重要。

模擬節省產品設計時間和成本

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計工具。電裝通過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周的時間來準備進行半天的測試，而在產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的時間和成本在不到六年的時間內降低了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：熱管理方面的技術創新

受益于熱專業技術集中化

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

在熱設計方面，設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。電裝已經決定使用現有的元件模型(圖3)。機械組創造了更小的產品外殼、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行熱分析。通過合作，電裝能夠在兩天內制作出產品的工作熱模型。這離不開每個小組的工程師的努力。

圖3:熱技術集中化的優勢——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溫度預測準確性，從而確保結點溫度不超過規定限值。這個要求非常高，需要對模擬模型有很強的信心。如今達成共識的結點溫度上升范圍必須控制在試驗數值的10%以內。電裝希望到2015年將這一范圍進一步控制在5%以內。

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

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

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

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熱分析工具分銷商 IDAJ 和 KOZO KEIKAKU ENGINEERING(構造計畫研究所)的大力支持。”