發動機電動水泵LTCC控制器試制驗證

齊利威+方利志+殷婷+李夢明

摘 要：針對發動機電動水泵控制器的工作環境特點，為解決其散熱性問題，提高控制器在工作過程中的散熱效率，本文從工藝、尺寸、材料、性能等方面對FR-4基板及LTCC基板進行了對比，并進行了溫升仿真實驗；介紹了電動水泵控制器的工藝流程，并根據工藝特點介紹了零件試制過程的質量管控方案以及質量管控要素，最后對LTCC基板的電動水泵控制器進行散熱性試驗，結果表明：LTCC基板的控制器相對于普通FR4材料的控制器散熱效果有一定改善。

關鍵詞：發動機電動水泵控制器；散熱性；LTCC

中圖分類號：U464 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）03-0086-04

Engine electric pump LTCC controller test validation

QI Li-wei， FANG Li-zhi， YIN Ting， LI Meng-ming

（DongFeng Motor Corp. R&D Center，Wuhan430058， China）

Abstract： According to the characteristics of the engine electric pump controller working environment， in order to solve the cooling problem， and improve the efficiency of the heat dissipation of controller in the working process， in this paper， compares the FR - 4 substrates and the LTCC substrate from the aspects of technology， size， material， performance， etc， and conducts the temperature simulation experiment； Introduces the technological process of electric pump controller， and the process quality control and quality control elements based on the technology of manufacture， in the last， conducts heat resistance test for electric pump controller of the LTCC substrate， the results show that the controller of LTCC substrate cooling effect has certain improvement compared with the normal FR4 material controller.

Key Words： Engine electric pump controller； heat dissipation performance； LTCC

1 前言

目前隨著汽車用電器件集成化及智能化的不斷發展，功能越來越多，汽車上的控制器也越來越多，其中有些控制電路板要求與被控制系統一起安裝在發動機艙內，而發動機附近的工作環境溫度較高，因此要求電路板必須具有耐高溫、耐高濕的性能以及很高的工作可靠性。LTCC（Low temperature co-fired ceramics，低溫共燒陶瓷）因其具有優良特性，目前已廣泛應用于汽車領域中，如各種傳感器模塊、發動機管理系統（EMS）等。

2 產品介紹

發動機電動水泵安裝在發動機缸體上，由控制器進行控制，控制器集成在電子水泵總成內部，如圖1所示。由于發動機缸體附近是機艙內環境最惡劣的地方，溫場較高，若散熱性設計不好，會導致控制器穩定性較差，電子元器件壽命縮減，控制器的可靠性及工作效率將下降，進而電動水泵的工作效率也大打折扣，不僅無法起到節能減排的作用，甚至導致發動機無法得到有效的冷卻，因此電動水泵控制器的散熱性要求較高。

3 控制器基板的選擇

目前環氧玻纖布覆銅板FR-4是我們產品中最常用的一種板材，電動水泵控制器前期采用FR-4基板進行試制，在高溫耐久實驗時，由于基板散熱較差，控制器溫度高達130-140度，控制器多次出現過溫保護、電解電容爆裂等故障。為解決此問題，本文選擇具有較高的導熱率及良好散熱性能的LTCC基板與FR-4基板進行了溫升建模仿真實驗。

首先計算電動水泵控制器的發熱功率，P=I2R， 控制器上MOSFET導通時內阻為10.5mΩ，電動水泵最大負荷工作電流20A，因此發熱功率為：P=20×20×10.5/1000=4.2W，然后將同尺寸的LTCC和FR4 PCB放置在4.2W的加熱器上，實時仿真2塊PCB板同一位置的溫升，仿真結果如圖2所示，從圖2中可以看出采用LTCC基板，溫升可降低8-10度。

同時本文從工藝可行性、材料、成本及性能幾方面對FR-4及LTCC兩種控制器板材進行了綜合對比，如表1所示：

從表1中我們可以看出：FR-4板材具有技術工藝成熟、成本低等優勢，但是這種基板存在導熱率低、散熱差等劣勢；LTCC板材成本較高，但在導熱性能上明顯優于FR-4板材。根據東風某科研項目對產品的設計要求，因此本文選用LTCC基板作為控制器的板材，進行工藝、質量管控過程以及性能驗證。

本文使用的LTCC基板的性能參數詳見下表2。

4 試制工藝方案

4.1 工藝流程簡介

發動機電動水泵控制器的試制工藝流程主要包含LTCC裸板生產及SMT（Surface Mount Technology， 表面貼裝技術）貼片流程兩部分，下面本文分別介紹這兩部分的工藝流程及質量管控方案。

4.1.1 LTCC裸板工藝流程

LTCC裸板的工藝流程如圖3所示，工藝參數的敏感性、加工結果的非直觀性和燒后基板的不可返工性是影響LTCC裸板質量的重要因素，對于具體的產品基板，因材料、尺寸、層數、結構、圖形分布、后燒狀態等的不同，往往需要通過多輪次的實際產品加工參數調整與漸進優化，才能得到很滿意的LTCC基板 [2]。

在生產過程中從以下三方面控制產品質量：

（1）嚴格控制各個加工工序的材料、環境、參數、過程；

（2）燒結、堆疊的工藝參數對基板的質量影響很大，因此必須在疊片前檢驗、剔除不合格的生瓷片層；

（3）在燒結后監控基板的收縮率、密度、強度、平整度、通斷狀態等關鍵指標。

4.1.2 SMT貼片工藝流程

圖4所示為本次產品的SMT貼片工藝流程，根據以往經驗，本文總結了在SMT過程中經常出現的不良及原因，如下表3所示，圖5展示了部分常見缺陷的圖片：

由表3可看出，在PCB設計正確、元器件和錫膏質量有保證的前提下，工藝流程中錫膏印刷和回流焊接是保證產品質量的兩個關鍵工序。

錫膏印刷目前一般采用的都是模板印刷，模板即我們試制過程中的鋼網工裝，提高錫膏印刷質量的方法主要有三種：加工合格的模板；選擇適合工藝要求的焊膏并正確使用焊膏；印刷工藝的控制。

對于錫膏印刷工藝的控制，首先要保證PCB板的焊盤與鋼網的漏孔圖形完全重合。但是，由于本次陶瓷基板尺寸（62.8×27.5）較小且厚度較薄，在工作臺上不易固定，錫膏印刷時，容易移動而導致與鋼網錯位，出現多錫、少錫、偏位、橋連等質量問題，因此，為滿足陶瓷基板定位精度高的要求，需制作一套載具，用于固定陶瓷基板，該載具的尺寸精度要求為其關鍵尺寸的加工公差不大于±0.1mm；

回流焊接出現的質量問題大多因為溫度設定不合理，其工藝表現形式為回流焊接曲線，回流溫度曲線的合理設計可有效提高焊接質量，回流焊溫度曲線要求如下：

A： 升溫區為25～100℃，時間要求在60～90S；

B： 預熱區最低溫度100℃，最高溫度150℃，要求時間維持在60S～90S；

C： 快速升溫區（浸潤區）為150～183℃，時間控制在30～60S；

D： 回流區183℃以上，維持在60S～90S， 200℃以上時間維持在20S～60S。頂峰溫度范圍210～240℃；

E： 冷卻區溫度設置，設定為100±20℃之間，降溫速率保持在-5℃/S以下。

焊接過程中要求實時溫度曲線應與上述溫度曲線基本一致，LTCC導熱較好，因此在進行回流焊接時，設備參數的設置需相應調低約5度，同時對首塊印制板的焊接質量進行檢查，如焊接是否充分、焊點表面是否光滑、焊點形狀是否呈半月狀、錫球和殘留物的情況以及連焊和虛焊的情況等，并根據檢查結果調整溫度曲線，以使實際溫度曲線滿足以上溫度曲線的要求。

4.2 質量控制要素

樣件生產完成后需要對其進行質量檢測，以確定其是否有質量缺陷及滿足設計要求，本文對樣件的質量主要從以下幾個要素進行檢測及評價，詳見表4。

5 性能驗證

本文對試制樣件進行了散熱性試驗，驗證條件為將LTCC控制器及總成放入高溫箱中進行測試，高溫箱加熱至120度，以最高負荷運行1小時。結果如下圖5所示。紅色線為高溫箱內溫度曲線，綠色線為LTCC控制器溫度曲線，黃色線為FR-4控制器的溫度曲線。

從圖5溫度測試結果來看，LTCC基板的控制器相對于普通FR-4基板的控制器溫度，在熱平衡時有4～5度的改善。由此說明采用LTCC的基板對散熱效果有一定的改善。

6 總結及改善方向

本文重點介紹了發動機電動水泵LTCC控制板的工藝流程、質量管控方案及要素，并對其進行了散熱性能試驗，結果表明，基于LTCC基板的電動水泵控制器散熱效果得到一定改善，若想進一步達到預期的改善效果，后續將從加大LTCC控制器散熱面積入手，結合有效的試制和驗證方法，提高控制器在工作過程中的散熱效率。

參考文獻：

[1]王睿， 王悅輝， 周濟等， 低溫共燒陶瓷技術及應用[J]， 硅酸鹽學報， 2007.35（S1）：125-130.

[2]熊鋼， 低溫共燒陶瓷技術[J]， 咸寧學院學報， 2007.27（3）：34-36.