齐利威+方利志+殷婷+李梦明
摘 要：针对发动机电动水泵控制器的工作环境特点，为解决其散热性问题，提高控制器在工作过程中的散热效率，本文从工艺、尺寸、材料、性能等方面对FR-4基板及LTCC基板进行了对比，并进行了温升仿真实验；介绍了电动水泵控制器的工艺流程，并根据工艺特点介绍了零件试制过程的质量管控方案以及质量管控要素，最后对LTCC基板的电动水泵控制器进行散热性试验，结果表明：LTCC基板的控制器相对于普通FR4材料的控制器散热效果有一定改善。
关键词：发动机电动水泵控制器；散热性；LTCC
中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：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
目前隨着汽车用电器件集成化及智能化的不断发展，功能越来越多，汽车上的控制器也越来越多，其中有些控制电路板要求与被控制系统一起安装在发动机舱内，而发动机附近的工作环境温度较高，因此要求电路板必须具有耐高温、耐高湿的性能以及很高的工作可靠性。LTCC（Low temperature co-fired ceramics，低温共烧陶瓷）因其具有优良特性，目前已广泛应用于汽车领域中，如各种传感器模块、发动机管理系统（EMS）等。
2 产品介绍
发动机电动水泵安装在发动机缸体上，由控制器进行控制，控制器集成在电子水泵总成内部，如图1所示。由于发动机缸体附近是机舱内环境最恶劣的地方，温场较高，若散热性设计不好，会导致控制器稳定性较差，电子元器件寿命缩减，控制器的可靠性及工作效率将下降，进而电动水泵的工作效率也大打折扣，不仅无法起到节能减排的作用，甚至导致发动机无法得到有效的冷却，因此电动水泵控制器的散热性要求较高。
3 控制器基板的选择
目前环氧玻纤布覆铜板FR-4是我们产品中最常用的一种板材，电动水泵控制器前期采用FR-4基板进行试制，在高温耐久实验时，由于基板散热较差，控制器温度高达130-140度，控制器多次出现过温保护、电解电容爆裂等故障。为解决此问题，本文选择具有较高的导热率及良好散热性能的LTCC基板与FR-4基板进行了温升建模仿真实验。
首先计算电动水泵控制器的发热功率，P=I2R， 控制器上MOSFET导通时内阻为10.5mΩ，电动水泵最大负荷工作电流20A，因此发热功率为：P=20×20×10.5/1000=4.2W，然后将同尺寸的LTCC和FR4 PCB放置在4.2W的加热器上，实时仿真2块PCB板同一位置的温升，仿真结果如图2所示，从图2中可以看出采用LTCC基板，温升可降低8-10度。
同时本文从工艺可行性、材料、成本及性能几方面对FR-4及LTCC两种控制器板材进行了综合对比，如表1所示：
从表1中我们可以看出：FR-4板材具有技术工艺成熟、成本低等优势，但是这种基板存在导热率低、散热差等劣势；LTCC板材成本较高，但在导热性能上明显优于FR-4板材。根据东风某科研项目对产品的设计要求，因此本文选用LTCC基板作为控制器的板材，进行工艺、质量管控过程以及性能验证。
本文使用的LTCC基板的性能参数详见下表2。
4 试制工艺方案
4.1 工艺流程简介
发动机电动水泵控制器的试制工艺流程主要包含LTCC裸板生产及SMT（Surface Mount Technology， 表面贴装技术）贴片流程两部分，下面本文分别介绍这两部分的工艺流程及质量管控方案。
4.1.1 LTCC裸板工艺流程
LTCC裸板的工艺流程如图3所示，工艺参数的敏感性、加工结果的非直观性和烧后基板的不可返工性是影响LTCC裸板质量的重要因素，对于具体的产品基板，因材料、尺寸、层数、结构、图形分布、后烧状态等的不同，往往需要通过多轮次的实际产品加工参数调整与渐进优化，才能得到很满意的LTCC基板 [2]。
在生产过程中从以下三方面控制产品质量：
（1）严格控制各个加工工序的材料、环境、参数、过程；
（2）烧结、堆叠的工艺参数对基板的质量影响很大，因此必须在叠片前检验、剔除不合格的生瓷片层；
（3）在烧结后监控基板的收缩率、密度、强度、平整度、通断状态等关键指标。
4.1.2 SMT贴片工艺流程
图4所示为本次产品的SMT贴片工艺流程，根据以往经验，本文总结了在SMT过程中经常出现的不良及原因，如下表3所示，图5展示了部分常见缺陷的图片：
由表3可看出，在PCB设计正确、元器件和锡膏质量有保证的前提下，工艺流程中锡膏印刷和回流焊接是保证产品质量的两个关键工序。
锡膏印刷目前一般采用的都是模板印刷，模板即我们试制过程中的钢网工装，提高锡膏印刷质量的方法主要有三种：加工合格的模板；选择适合工艺要求的焊膏并正确使用焊膏；印刷工艺的控制。
对于锡膏印刷工艺的控制，首先要保证PCB板的焊盘與钢网的漏孔图形完全重合。但是，由于本次陶瓷基板尺寸（62.8×27.5）较小且厚度较薄，在工作台上不易固定，锡膏印刷时，容易移动而导致与钢网错位，出现多锡、少锡、偏位、桥连等质量问题，因此，为满足陶瓷基板定位精度高的要求，需制作一套载具，用于固定陶瓷基板，该载具的尺寸精度要求为其关键尺寸的加工公差不大于±0.1mm；
回流焊接出现的质量问题大多因为温度设定不合理，其工艺表现形式为回流焊接曲线，回流温度曲线的合理设计可有效提高焊接质量，回流焊温度曲线要求如下：
A： 升温区为25～100℃，时间要求在60～90S；
B： 预热区最低温度100℃，最高温度150℃，要求时间维持在60S～90S；
C： 快速升温区（浸润区）为150～183℃，时间控制在30～60S；
D： 回流区183℃以上，维持在60S～90S， 200℃以上时间维持在20S～60S。顶峰温度范围210～240℃；
E： 冷却区温度设置，设定为100±20℃之间，降温速率保持在-5℃/S以下。
焊接过程中要求实时温度曲线应与上述温度曲线基本一致，LTCC导热较好，因此在进行回流焊接时，设备参数的设置需相应调低约5度，同时对首块印制板的焊接质量进行检查，如焊接是否充分、焊点表面是否光滑、焊点形状是否呈半月状、锡球和残留物的情况以及连焊和虚焊的情况等，并根据检查结果调整温度曲线，以使实际温度曲线满足以上温度曲线的要求。
4.2 质量控制要素
样件生产完成后需要对其进行质量检测，以确定其是否有质量缺陷及满足设计要求，本文对样件的质量主要从以下几个要素进行检测及评价，详见表4。
5 性能验证
本文对试制样件进行了散热性试验，验证条件为将LTCC控制器及总成放入高温箱中进行测试，高温箱加热至120度，以最高负荷运行1小时。结果如下图5所示。红色线为高温箱内温度曲线，绿色线为LTCC控制器温度曲线，黄色线为FR-4控制器的温度曲线。
从图5温度测试结果来看，LTCC基板的控制器相对于普通FR-4基板的控制器温度，在热平衡时有4～5度的改善。由此说明采用LTCC的基板对散热效果有一定的改善。
6 总结及改善方向
本文重点介绍了发动机电动水泵LTCC控制板的工艺流程、质量管控方案及要素，并对其进行了散热性能试验，结果表明，基于LTCC基板的电动水泵控制器散热效果得到一定改善，若想进一步达到预期的改善效果，后续将从加大LTCC控制器散热面积入手，结合有效的试制和验证方法，提高控制器在工作过程中的散热效率。
参考文献：
[1]王睿， 王悦辉， 周济等， 低温共烧陶瓷技术及应用[J]， 硅酸盐学报， 2007.35（S1）：125-130.
[2]熊钢， 低温共烧陶瓷技术[J]， 咸宁学院学报， 2007.27（3）：34-36.
