淺談汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2.浙江吉利動(dòng)力總成有限公司，浙江 寧波 315800）

隨著國(guó)家排放法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格以及降油耗要求，車(chē)企越來(lái)越多地向混動(dòng)或純電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展。而對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)，主機(jī)廠越來(lái)越多地應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)以減少排放和減低油耗。電子水泵逐漸被各主機(jī)廠廣泛應(yīng)用，其作為發(fā)動(dòng)機(jī)及整車(chē)熱管理的重要組成部分，發(fā)揮了重要作用。

1 電子水泵作用

水泵作為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的重要零部件，為冷卻系統(tǒng)各零部件輸送冷卻液，將發(fā)動(dòng)機(jī)以及各發(fā)熱零件的熱量散出，防止發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件過(guò)熱失效。而電子水泵通過(guò)ECM控制，可以根據(jù)需求提供冷卻液，在冷機(jī)時(shí)不運(yùn)轉(zhuǎn)或低速運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)快速熱機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)大負(fù)荷時(shí)可以高速運(yùn)轉(zhuǎn)維持發(fā)動(dòng)機(jī)在最優(yōu)溫度范圍內(nèi)工作，以達(dá)到快速暖機(jī)、降低油耗的作用。

2 電子水泵發(fā)展情況

目前，國(guó)產(chǎn)汽車(chē)品牌中使用電子水泵并且已經(jīng)達(dá)到量產(chǎn)的并不多。市場(chǎng)上已量產(chǎn)的大功率電子水泵廠家大多是外資企業(yè)研發(fā)，主要是因?yàn)橥赓Y或合資汽車(chē)品牌在電子水泵的應(yīng)用上領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)；另外也受制于國(guó)內(nèi)電子水泵行業(yè)發(fā)展比較緩慢，許多工藝及關(guān)鍵技術(shù)還不成熟。但是近年來(lái)，受到國(guó)家排放和油耗法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格的影響，國(guó)內(nèi)電子水泵行業(yè)發(fā)展迅速，許多傳統(tǒng)機(jī)械水泵的企業(yè)開(kāi)始研發(fā)電子水泵。

對(duì)傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，在12V電系統(tǒng)下，電子水泵要達(dá)到機(jī)械水泵的功率比較困難，因?yàn)殡娏鲿?huì)很大，對(duì)控制器設(shè)計(jì)是一個(gè)很大的考驗(yàn)。電子水泵功率等級(jí)受發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的影響，目前主流的電子水泵功率為400～450W，部分會(huì)達(dá)到600W，主要用于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)；而日系的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，例如本田、豐田等，使用的電子水泵功率為160～200W。

雖然近年來(lái)，國(guó)內(nèi)電子水泵行業(yè)發(fā)展迅速，通過(guò)開(kāi)發(fā)小功率電子水泵積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但是對(duì)于大功率電子水泵，因?yàn)閼?yīng)用環(huán)境更復(fù)雜和苛刻、控制邏輯更復(fù)雜，且受技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的缺乏限制，開(kāi)發(fā)過(guò)程中失效情況較多。其中，MOSFET失效是較多且嚴(yán)重的一種失效。

本文針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)電子水泵開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的失效案例，對(duì)失效機(jī)理進(jìn)行分析，并提供相應(yīng)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(kāi)關(guān)控制電機(jī)三相的導(dǎo)通和關(guān)斷，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比，即可調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。當(dāng)MOSFET失效后，電機(jī)會(huì)出現(xiàn)缺相而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，甚至直接導(dǎo)致電機(jī)不工作，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dǎo)致失效

MOSFET工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果散熱不及時(shí)，溫度超過(guò)MOSFET的結(jié)溫，則MOSFET將會(huì)被燒毀。

PCB板上按照電路的設(shè)計(jì)集成各種電子元器件（包括MOSFET）構(gòu)成了控制器，因此對(duì)MOSFET散熱即對(duì)控制器散熱。通過(guò)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(dǎo)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(jiǎn)單是最常用的設(shè)計(jì)，在散熱滿(mǎn)足的前提下，優(yōu)先選用此方法。但是如果工藝或者膠品選擇不當(dāng)，仍然會(huì)導(dǎo)致控制器過(guò)熱失效。某電子水泵在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于工藝不合理，散熱膠出現(xiàn)空化現(xiàn)象（圖1），導(dǎo)致MOFET過(guò)熱失效。

陶瓷電路板是目前比較先進(jìn)的一種電路集成方式，但是由于成本高、國(guó)內(nèi)技術(shù)成熟度低，并未廣泛應(yīng)用。陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)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(guò)熱失效。

在控制器和殼體之間增加除散熱硅膠以外的高導(dǎo)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(xiàn)象

3.2 靜電導(dǎo)致失效

MOSFET為靜電敏感元件，如果操作不當(dāng)，靜電會(huì)導(dǎo)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(xiàn)裂紋，MOSFET失效。有些情況下，靜電并不會(huì)導(dǎo)致MOSFET立即失效，但是元件內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)一些隱患，MOSFET的性能劣化或下降，工作一段時(shí)間后最終失效。由于這種情況無(wú)法立即識(shí)別出失效，因此危害更大。

針對(duì)靜電失效，最主要的是在控制器生產(chǎn)及物流、裝配的整個(gè)過(guò)程中進(jìn)行靜電防護(hù)。

圖2 8kV靜電放電后MOSFET晶圓出現(xiàn)裂紋

3.3 粘接層空洞導(dǎo)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(duì)器件的熱耗散有顯著影響，并分析了不同空洞尺寸對(duì)器件散熱的影響［1］。

某電子水泵在開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)MOSFET失效問(wèn)題，排查發(fā)現(xiàn)失效MOSFET粘接層空洞達(dá)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(wú)空洞時(shí)的熱阻高約4倍，產(chǎn)生約25%的結(jié)溫溫升，對(duì)器件的可靠性有重大影響。對(duì)于半導(dǎo)體器件，結(jié)溫每升高10℃，壽命降低一半［2］。

3.4 MOSFET選型及電路設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)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(shè)計(jì)中的一個(gè)重要工作。如果選型不當(dāng)，MOSFET使用過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生故障。MOSFET作為開(kāi)關(guān)功率器件，其本身具有開(kāi)關(guān)的閾值。當(dāng)MOSFET開(kāi)通閾值過(guò)低，由于控制電路中開(kāi)關(guān)過(guò)程中的振蕩，導(dǎo)致MOSFET出現(xiàn)誤開(kāi)通，使上下橋臂直通。而由于MOSFET開(kāi)通電阻很小，達(dá)到毫歐級(jí)別，因此很小的電壓將會(huì)導(dǎo)致較大的電流通過(guò)MOSFET，產(chǎn)生過(guò)流故障或者直接過(guò)流損壞。

4 結(jié)語(yǔ)

1）電子水泵作用是為了降油耗。

2）目前國(guó)內(nèi)電子水泵發(fā)展滯后于國(guó)外，但是發(fā)展迅速。

3）國(guó)內(nèi)電子水泵失效主要集中在控制器上的MOSFET。

4）從宏觀上來(lái)看，MOSFET失效原因有散熱不良導(dǎo)致失效、靜電導(dǎo)致失效、粘接層空洞大導(dǎo)致失效以及MOSFET選型和電路設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致失效。