车载电子系统、安全电控模块之散热设计重点
- DIGITIMES企划
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汽车电子产业不管是安全或是娱乐应用设计，使用半导体技术已是不可避免的重要手段，当车内电子元器件数量持续增加，车用环境特有的高震动、高温等严苛条件，已经成为安全与数码娱乐相关汽车电子设计的重要关键，如何达到有效散热与提供足够的保护设计方案，必须利用有效的散热设计协助增加设计方案的完整性...
随着车用电子元器件数量持续增加，从一般娱乐应用功能模块、到与用车安全息息相关的汽车安全设计方案，均朝着降低功能模块的元件数量、缩小模块体积、改善设计复杂度方向努力。
但减少元件数量虽可满足简化维护元件寿命的相关周边电路设计、降低维修成本等好处，但实际上元件若经缩小尺寸采整合芯片型态设计，即便可大幅缩小组件尺寸，但同时也会造成元件运作温度升高，产生稳定性降低的新问题，同时也会影响用车安全性。
尤其是现有车载系统所采行的零组件，需要降低元件数量、缩小模块尺寸，终极目标为减少整体电路所使用的元件数量，也造成新的半导体设计方案出现更多耗电设计问题，这在系统规划前期工作中，必须在开发之前即检视芯片配置优化设计，避免单一元件或整合型元件工作温度过高，反而降低了整体车载系统稳定性，也必须避免车载系统影响用车安全。
利用热模型验证产品设计
常见改善作法为，在投入模块设计之前，即针对设计方案欲使用的电子电路解决方案，进行开发前热模型建构与设计前的模型测试分析，甚至在整合芯片开发之初，即先进行核心元件的热模型模拟，从小至整合元件、大至载板电路模块运行模拟，都可以先利用设计软件先进行缜密热模型分析与评估，先在设计前即针对系统现况进行掌握，再进行最终设计的元器件、设计方案进行最佳化设计调整。
早期建构应用方案热模型参数，好处相当多，即便载板电路未完整预行热模型分析，进行设计时最多也只是微调电路布局、设计方案重新调整，但若是整合芯片没有做好最佳化设计调整，修改整合芯片设计耗费成本较高，开发时程也会因此滞延，后期改善设计方案并不容易进行，开发前需审慎考量。
汽车电子设置环境差异大 影响车载系统设计方针
先了解车载系统散热问题与成因，目前汽车在运作、维运与安全系统方面，电子电路设计均扮演关键角色，尤其是整合型芯片设计与模块电路方案，让大量电子化的汽车电控平台，可以在后期维护利用快速有效的模块替换达到保养维修之目的。
车内如方向盘、传动机组、安全气囊、冷气空调、音箱系统、防盗系统、胎压传感...等车辆功能，均以大量电子电路与集成电路达到设计目的，但实际上相关汽车电子设计与车载系统，会散布在车体驾驶室、防火墙与引擎室三大运行环境中。
以驾驶室为例，驾驶室会有音箱娱乐系统、车载通讯系统、电控仪表板...等电子设备，以一般消费性电子合理运作温度为25°C~70°C，但汽车若是长时间于露天停车场高温曝晒，车内驾驶室温度可以高达85°C~90°C上下，已远远超过一般消费性电子合理环境温度范围。
另外，在防火墙应用环境中，汽车电子装置会置于引擎与汽车驾驶室之间，置放于此处的电子元器件，则必须足以耐受高达100°C~105°C的高温，才能满足稳定运作之条件。但环境温度最严苛的设置位置，则为引擎室内传感模块、安全应用模块等元器件，其运作环境温度更高达125°C~130°C。
防火墙、引擎室高温环境 增加电控模块设计难度
驾驶室内车载系统，其高温运行条件限制，可以利用宽温元件来进行改善；若是嵌入式处理器或是存储器元器件，则可以强化被动？主动散热设计。在实际应用环境上，由于车辆属于高震动安装环境，使用被动散热或是分散高温器件的载板位置，在因应高温设计应用上并不会太困难。
反而是防火墙与引擎室高温设置环境，往往牵涉到的电子控制模块是左右行车安全的重点应用，如电子动力辅助方向盘、安全气囊、ABS防锁死煞车、动态行车循迹系统等功能应用，其中如需用电子动力制动的方向盘、煞车系统等，驱动电路多属高功率设计，必须在仅数个ms就必须输出50~100W的驱动输出。
除了防火墙、引擎室环境温度本身就较高，电控模块本身瞬间高功率输出设计需求，也会使模块功耗过度集中在驱动IC上，这些关键元器件表面温度，会在制动产生或作动时瞬间产生180°C~190°C的高温，而相关电控电路若无有效处理散热需求，则可能产生安全制动力不足或功能失效问题，造成安全电控设备可靠度偏低。
随着民众对于行车安全观念持续提升，购车民众也对于安全配备数量要求越来越高，如新款智能车种大多需配备6~8个安全气囊，ABS煞车防锁死系统已是标准配备，具竞争力的车种还须提供循迹、防滑等安全电控机制，来强化用车者的操驾安全性，电控安全设计模块数量增加已是不可避免之趋势，安全电控模块增加亦是无法避免的现况，也让新的车辆安全电控模块开发难度大幅增加，而进行相关电控模块开发也成为提高系统可靠度的关键。
此外，汽车产业与其他产业一样，也遭遇到制造、材料、开发成本持续压低的压力，若以散热改善设计方向考量，采用金属机壳或许会是最佳选择，但实际上金属材质虽在散热条件较好、但同时也会使整体车重增加，材料成本同时也会因为金属加工不易与材料本身价格问题，造成整体成本增加。
因应成本考量 选用塑料机壳需注意散热设计
为了追求成本压缩，原有采行金属机壳的电控模块改用塑料机壳替代。采用塑料材质好处相当多，一方面射出成型制程可让生产速度、成本大幅降低，加上塑料外壳可让整体模块重量仅金属制品的五分之一不到，但缺点却是散热设计限制较多，因为塑料材质导热效果不佳，改用塑料机壳虽在成本、重量上取得优势，却会造成电控模块散热负荷，令安全电控系统散热效率降低，若不妥善处理散热问题，将导致电控设备寿命与作动可靠度都会受到影响。
对于电控模块的电路载板，目前工业设计方案也采取多元散热设计方案。例如，为让关键驱动晶粒散热效果强化，这类大功率IC封装方式会采取PowerPAD封装，即外露焊垫型态，透过晶粒底座下焊垫外露，利用锡料直接焊接于电路载板上，使得晶粒进行大电力驱动时产生的高温可以透过IC下方金属焊垫将元件温度传导至电路载板，利用这种设计方案，可以让大功率IC元件约八成高温透过载板散逸。
使用元件配置 改善电控模块散热设计
除了利用封装方式与载板上料型态来改善重点元件散热设计外，高功率元件的晶粒高温约两成是透过接脚与IC封装体侧边散出，元件散热处理大多是采材料间传导、模块机构内热对流，与元件本身辐射型态进行散热，其中透过辐射热型态的散热效率最低，大部分电控模块主要散热机制为由传导与对流达成。
为了达到较佳散热表现，在设计方案中也会利用元件排布型态改善电控模块散热效果。例如，电控模块设计可以先将低电力与高功率元件先区隔配置，在温度模拟与实际验证经验观察，高功率元件若采取高密度区块型设置，其温度对流散热效果会偏低，即便利用PowerPAD封装搭配PCB板焊接传导散热辅助，也会让高温区块过度集中，造成电控模块温度集中在高功率元件区块，影响散热效率。
较合宜作法是将高功率IC元件采长方形配置而不是正方形配置，因为长方形料件配置可让元件于机壳内热对流效率增加，再搭配原有高功率元件焊接传导散热机制，长条型元件配置可让高功率元件温度不会过度集中。但变更最佳化料件配置时，也必须考量电控载板本身高功率、低耗电元件供电分配设计，避免为了追求最佳化散热设计，而造成电路载板供电不稳问题。
