車載電子系統、安全電控模組之散熱設計重點
- DIGITIMES企劃
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汽車電子產業不管是安全或是娛樂應用設計，使用半導體技術已是不可避免的重要手段，當車內電子元器件數量持續增加，車用環境特有的高震動、高溫等嚴苛條件，已經成為安全與數位娛樂相關汽車電子設計的重要關鍵，如何達到有效散熱與提供足夠的保護設計方案，必須利用有效的散熱設計協助增加設計方案的完整性...
隨著車用電子元器件數量持續增加，從一般娛樂應用功能模組、到與用車安全息息相關的汽車安全設計方案，均朝著降低功能模組的元件數量、縮小模組體積、改善設計複雜度方向努力。
但減少元件數量雖可滿足簡化維護元件壽命的相關周邊電路設計、降低維修成本等好處，但實際上元件若經縮小尺寸採整合晶片型態設計，即便可大幅縮小組件尺寸，但同時也會造成元件運作溫度升高，產生穩定性降低的新問題，同時也會影響用車安全性。
尤其是現有車載系統所採行的零組件，需要降低元件數量、縮小模組尺寸，終極目標為減少整體電路所使用的元件數量，也造成新的半導體設計方案出現更多耗電設計問題，這在系統規劃前期工作中，必須在開發之前即檢視晶片配置優化設計，避免單一元件或整合型元件工作溫度過高，反而降低了整體車載系統穩定性，也必須避免車載系統影響用車安全。
利用熱模型驗證產品設計
常見改善作法為，在投入模組設計之前，即針對設計方案欲使用的電子電路解決方案，進行開發前熱模型建構與設計前的模型測試分析，甚至在整合晶片開發之初，即先進行核心元件的熱模型模擬，從小至整合元件、大至載板電路模組運行模擬，都可以先利用設計軟體先進行縝密熱模型分析與評估，先在設計前即針對系統現況進行掌握，再進行最終設計的元器件、設計方案進行最佳化設計調整。
早期建構應用方案熱模型參數，好處相當多，即便載板電路未完整預行熱模型分析，進行設計時最多也只是微調電路布局、設計方案重新調整，但若是整合晶片沒有做好最佳化設計調整，修改整合晶片設計耗費成本較高，開發時程也會因此滯延，後期改善設計方案並不容易進行，開發前需審慎考量。
汽車電子設置環境差異大 影響車載系統設計方針
先了解車載系統散熱問題與成因，目前汽車在運作、維運與安全系統方面，電子電路設計均扮演關鍵角色，尤其是整合型晶片設計與模組電路方案，讓大量電子化的汽車電控平台，可以在後期維護利用快速有效的模組替換達到保養維修之目的。
車內如方向盤、傳動機組、安全氣囊、冷氣空調、音響系統、防盜系統、胎壓感測...等車輛功能，均以大量電子電路與積體電路達到設計目的，但實際上相關汽車電子設計與車載系統，會散布在車體駕駛室、防火牆與引擎室三大運行環境中。
以駕駛室為例，駕駛室會有音響娛樂系統、車載通訊系統、電控儀表板...等電子設備，以一般消費性電子合理運作溫度為25°C~70°C，但汽車若是長時間於露天停車場高溫曝曬，車內駕駛室溫度可以高達85°C~90°C上下，已遠遠超過一般消費性電子合理環境溫度範圍。
另外，在防火牆應用環境中，汽車電子裝置會置於引擎與汽車駕駛室之間，置放於此處的電子元器件，則必須足以耐受高達100°C~105°C的高溫，才能滿足穩定運作之條件。但環境溫度最嚴苛的設置位置，則為引擎室內感測模組、安全應用模組等元器件，其運作環境溫度更高達125°C~130°C。
防火牆、引擎室高溫環境 增加電控模組設計難度
駕駛室內車載系統，其高溫運行條件限制，可以利用寬溫元件來進行改善；若是嵌入式處理器或是記憶體元器件，則可以強化被動？主動散熱設計。在實際應用環境上，由於車輛屬於高震動安裝環境，使用被動散熱或是分散高溫器件的載板位置，在因應高溫設計應用上並不會太困難。
反而是防火牆與引擎室高溫設置環境，往往牽涉到的電子控制模組是左右行車安全的重點應用，如電子動力輔助方向盤、安全氣囊、ABS防鎖死煞車、動態行車循跡系統等功能應用，其中如需用電子動力制動的方向盤、煞車系統等，驅動電路多屬高功率設計，必須在僅數個ms就必須輸出50~100W的驅動輸出。
除了防火牆、引擎室環境溫度本身就較高，電控模組本身瞬間高功率輸出設計需求，也會使模組功耗過度集中在驅動IC上，這些關鍵元器件表面溫度，會在制動產生或作動時瞬間產生180°C~190°C的高溫，而相關電控電路若無有效處理散熱需求，則可能產生安全制動力不足或功能失效問題，造成安全電控設備可靠度偏低。
隨著民眾對於行車安全觀念持續提升，購車民眾也對於安全配備數量要求越來越高，如新款智能車種大多需配備6~8個安全氣囊，ABS煞車防鎖死系統已是標準配備，具競爭力的車種還須提供循跡、防滑等安全電控機制，來強化用車者的操駕安全性，電控安全設計模組數量增加已是不可避免之趨勢，安全電控模組增加亦是無法避免的現況，也讓新的車輛安全電控模組開發難度大幅增加，而進行相關電控模組開發也成為提高系統可靠度的關鍵。
此外，汽車產業與其他產業一樣，也遭遇到製造、材料、開發成本持續壓低的壓力，若以散熱改善設計方向考量，採用金屬機殼或許會是最佳選擇，但實際上金屬材質雖在散熱條件較好、但同時也會使整體車重增加，材料成本同時也會因為金屬加工不易與材料本身價格問題，造成整體成本增加。
因應成本考量 選用塑料機殼需注意散熱設計
為了追求成本壓縮，原有採行金屬機殼的電控模組改用塑料機殼替代。採用塑料材質好處相當多，一方面射出成型製程可讓生產速度、成本大幅降低，加上塑料外殼可讓整體模組重量僅金屬製品的五分之一不到，但缺點卻是散熱設計限制較多，因為塑料材質導熱效果不佳，改用塑料機殼雖在成本、重量上取得優勢，卻會造成電控模組散熱負荷，令安全電控系統散熱效率降低，若不妥善處理散熱問題，將導致電控設備壽命與作動可靠度都會受到影響。
對於電控模組的電路載板，目前工業設計方案也採取多元散熱設計方案。例如，為讓關鍵驅動晶粒散熱效果強化，這類大功率IC封裝方式會採取PowerPAD封裝，即外露焊墊型態，透過晶粒底座下焊墊外露，利用錫料直接焊接於電路載板上，使得晶粒進行大電力驅動時產生的高溫可以透過IC下方金屬焊墊將元件溫度傳導至電路載板，利用這種設計方案，可以讓大功率IC元件約八成高溫透過載板散逸。
使用元件配置 改善電控模組散熱設計
除了利用封裝方式與載板上料型態來改善重點元件散熱設計外，高功率元件的晶粒高溫約兩成是透過接腳與IC封裝體側邊散出，元件散熱處理大多是採材料間傳導、模組機構內熱對流，與元件本身輻射型態進行散熱，其中透過輻射熱型態的散熱效率最低，大部分電控模組主要散熱機制為由傳導與對流達成。
為了達到較佳散熱表現，在設計方案中也會利用元件排佈型態改善電控模組散熱效果。例如，電控模組設計可以先將低電力與高功率元件先區隔配置，在溫度模擬與實際驗證經驗觀察，高功率元件若採取高密度區塊型設置，其溫度對流散熱效果會偏低，即便利用PowerPAD封裝搭配PCB板焊接傳導散熱輔助，也會讓高溫區塊過度集中，造成電控模組溫度集中在高功率元件區塊，影響散熱效率。
較合宜作法是將高功率IC元件採長方形配置而不是正方形配置，因為長方形料件配置可讓元件於機殼內熱對流效率增加，再搭配原有高功率元件焊接傳導散熱機制，長條型元件配置可讓高功率元件溫度不會過度集中。但變更最佳化料件配置時，也必須考量電控載板本身高功率、低耗電元件供電分配設計，避免為了追求最佳化散熱設計，而造成電路載板供電不穩問題。
