淺談汽車發動機電子水泵作用及其失效

張 松，于 萍，席洪亮，云 非，尹建東，王瑞平，2

（1.寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2.浙江吉利動力總成有限公司，浙江 寧波 315800）

隨著國家排放法規越來越嚴格以及降油耗要求，車企越來越多地向混動或純電動汽車發展。而對于傳統燃油汽車，主機廠越來越多地應用先進技術以減少排放和減低油耗。電子水泵逐漸被各主機廠廣泛應用，其作為發動機及整車熱管理的重要組成部分，發揮了重要作用。

1 電子水泵作用

水泵作為發動機冷卻系統的重要零部件，為冷卻系統各零部件輸送冷卻液，將發動機以及各發熱零件的熱量散出，防止發動機各零部件過熱失效。而電子水泵通過ECM控制，可以根據需求提供冷卻液，在冷機時不運轉或低速運轉實現快速熱機，在發動機大負荷時可以高速運轉維持發動機在最優溫度范圍內工作，以達到快速暖機、降低油耗的作用。

2 電子水泵發展情況

目前，國產汽車品牌中使用電子水泵并且已經達到量產的并不多。市場上已量產的大功率電子水泵廠家大多是外資企業研發，主要是因為外資或合資汽車品牌在電子水泵的應用上領先于國內；另外也受制于國內電子水泵行業發展比較緩慢，許多工藝及關鍵技術還不成熟。但是近年來，受到國家排放和油耗法規越來越嚴格的影響，國內電子水泵行業發展迅速，許多傳統機械水泵的企業開始研發電子水泵。

對傳統燃油發動機來說，在12V電系統下，電子水泵要達到機械水泵的功率比較困難，因為電流會很大，對控制器設計是一個很大的考驗。電子水泵功率等級受發動機設計的影響，目前主流的電子水泵功率為400～450W，部分會達到600W，主要用于增壓發動機；而日系的自然吸氣發動機，例如本田、豐田等，使用的電子水泵功率為160～200W。

雖然近年來，國內電子水泵行業發展迅速，通過開發小功率電子水泵積累了一定的經驗，但是對于大功率電子水泵，因為應用環境更復雜和苛刻、控制邏輯更復雜，且受技術和經驗的缺乏限制，開發過程中失效情況較多。其中，MOSFET失效是較多且嚴重的一種失效。

本文針對發動機電子水泵開發過程中出現的失效案例，對失效機理進行分析，并提供相應的整改措施。

3 電子水泵MOSFET失效模式

MOSFET是電子水泵控制器集成電路上的重要元件。MOSFET的開關控制電機三相的導通和關斷，通過調節占空比，即可調節水泵轉速。當MOSFET失效后，電機會出現缺相而導致轉速不穩，甚至直接導致電機不工作，發動機失去冷卻而損壞。從宏觀上分析，電子水泵失效主要有以下失效模式。

3.1 散熱不良導致失效

MOSFET工作時會產生大量的熱量，如果散熱不及時，溫度超過MOSFET的結溫，則MOSFET將會被燒毀。

PCB板上按照電路的設計集成各種電子元器件（包括MOSFET）構成了控制器，因此對MOSFET散熱即對控制器散熱。通過研究目前主流電子水泵散熱方式，有以下3種。

1）在鋁殼體和控制器之間涂散熱硅膠或貼散熱硅膠墊。

2）使用陶瓷電路板。

3）在鋁殼體和控制器之間用增加除散熱硅膠以外的高導熱材料，例如陶瓷板。

涂散熱硅膠或貼散熱硅膠墊因成本低、工藝簡單是最常用的設計，在散熱滿足的前提下，優先選用此方法。但是如果工藝或者膠品選擇不當，仍然會導致控制器過熱失效。某電子水泵在開發過程中，由于工藝不合理，散熱膠出現空化現象（圖1），導致MOFET過熱失效。

陶瓷電路板是目前比較先進的一種電路集成方式，但是由于成本高、國內技術成熟度低，并未廣泛應用。陶瓷的導熱系數高，將電路集成在陶瓷基板上，能有效提高控制器散熱能力，防止MOSFET過熱失效。

在控制器和殼體之間增加除散熱硅膠以外的高導熱材料是介于1）和2）之間的一種散熱方案。

圖1 散熱膠空化現象

3.2 靜電導致失效

MOSFET為靜電敏感元件，如果操作不當，靜電會導致MOSFET 直接被擊穿而失效，如圖2所示，8kV靜電放電后，MOSFET晶圓出現裂紋，MOSFET失效。有些情況下，靜電并不會導致MOSFET立即失效，但是元件內部已經出現一些隱患，MOSFET的性能劣化或下降，工作一段時間后最終失效。由于這種情況無法立即識別出失效，因此危害更大。

針對靜電失效，最主要的是在控制器生產及物流、裝配的整個過程中進行靜電防護。

圖2 8kV靜電放電后MOSFET晶圓出現裂紋

3.3 粘接層空洞導致失效

芯片粘接層空洞將增大器件的熱阻，影響散熱的效果。已有研究表明，MOSFET焊料空洞對器件的熱耗散有顯著影響，并分析了不同空洞尺寸對器件散熱的影響［1］。

某電子水泵在開發過程中出現MOSFET失效問題，排查發現失效MOSFET粘接層空洞達到約30%，如圖3所示。而正常的MOSFET空洞率很小，如圖4所示。有資料表明，30%粘接層空洞的熱阻比無空洞時的熱阻高約4倍，產生約25%的結溫溫升，對器件的可靠性有重大影響。對于半導體器件，結溫每升高10℃，壽命降低一半［2］。

3.4 MOSFET選型及電路設計不合理導致失效

圖3 空洞大MOSFET

圖4 正常MOSFET空洞情況

MOSFET選型是電路設計中的一個重要工作。如果選型不當，MOSFET使用過程中也會產生故障。MOSFET作為開關功率器件，其本身具有開關的閾值。當MOSFET開通閾值過低，由于控制電路中開關過程中的振蕩，導致MOSFET出現誤開通，使上下橋臂直通。而由于MOSFET開通電阻很小，達到毫歐級別，因此很小的電壓將會導致較大的電流通過MOSFET，產生過流故障或者直接過流損壞。

4 結語

1）電子水泵作用是為了降油耗。

2）目前國內電子水泵發展滯后于國外，但是發展迅速。

3）國內電子水泵失效主要集中在控制器上的MOSFET。

4）從宏觀上來看，MOSFET失效原因有散熱不良導致失效、靜電導致失效、粘接層空洞大導致失效以及MOSFET選型和電路設計不合理導致失效。