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功能强大的汽车电子封装技术

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发表于 12-5-2007 19:14:14 | 显示全部楼层 |阅读模式

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摘要

汽车电子设备往往需要长时间在高温环境下运行,而且在负荷清除的短时间内,其结区温度还可能超过200℃。与所有电子器件一样,汽车电子器件也朝着小型化发展。将控制电路集成于功率器件中虽可减小封装尺寸,但却会给本来已经充满挑战性的封装任务增加复杂性。本文将探讨现代化的汽车电子封装技术,如何成为功能强大的解决方案,为汽车电子产品带来更佳的电气和热性能。

汽车电子设备往往需要长时间在高温环境下运行,而且在负荷清除的短时间内,其结区温度还可能超过200℃。现代化的封装设计可将装封尺寸缩减至最小,这乃归功于RDS(ON) 能降低一般的工作温度,这些封装并能改善热阻,进一步将结区温度降低。

与所有电子器件一样,汽车电子器件也朝着小型化发展。将控制电路集成于功率器件中虽可减小封装尺寸,但却会给本来已经充满挑战性的封装任务增加复杂性。封装不仅需要为裸片提供良好的散热性能,同时还要将控制裸片与功率芯片产生的高压和强电流隔离开来。器件的小型化发展会因散热面积的减小而使热管理变得更加困难,即使器件功率维持不变亦然,更遑论功率进一步提高。

除了热密度增加外,电子器件正用于车内各个高温位置,范围包括从变速箱内的200℃,到火花塞周围的165℃、引擎舱内的150℃,以至相对温度较温和的乘座车厢内,最大温度为80℃。据估算,一辆汽车在其寿命期内的冷启动次数达6,000次;其中,引擎舱内的温度将由40℃循环至150℃。因此,保护半导体芯片免受极端的环境和相关应力的影响是封装的重要功能之一。

面对电路小型化和更高温度承受力的追求,人们必须了解功率半导体器件的热极限和热管理,只有这样才能确保所设计的产品能继续满足汽车市场所要求的可靠性。封装已发展成为不仅仅是装载芯片的元件和芯片板卡的接口,而是功能强大的解决方案。

温度对半导体芯片的影响

温度的增加会对功率器件的性能带来负面影响。

对于MOSFET:

● RDS(on)随温度上升而增加,造成更多热消耗;
● BVdss(击穿电压) 随温度上升而增加;
● 漏电流随温度上升而大幅递增;
● 阈值电压随温度上升而下降,使到栅极在高温情况下难以关断。

对PIN二极管:

● 正向压降随温度上升而下降;
● 反向恢复电荷和恢复时间随温度上升而增加;

对例如用于点火系统的击穿IGBT:

● VCE(sat) 随温度上升而下降;
● 阈值电压随温度上升而下降;
● 在电感性负载下的开关时间随温度上升而增加;
● 漏电流随温度上升而大幅递增;
● BVdss(击穿电压) 随温度上升而增加。

从功率器件的角度来看,结区温度Tj是最关键的因素。大多数故障都是由于结区温度过高所致。这一点可从方程1总结出来。

方程1∶T= Rth {(Von× Ion)+ (∫V(t) × I(t) dt) f}

这里,T是在某距离散热体超出安全温度的程度。对汽车来说,这个散热体是吸入的空气,其安全温度的典型值为122 F (50℃) (取自Phoenix AZ)。但吸入的空气要经过散热器用来冷却引擎。通常,电子模块遇到的散热体会热得多。对大多数现代动力传动设计中的功率器件来说,环境散热体是105℃的热空气,通过模块散热器进行散热。表1和2给出了典型的汽车工作条件。板卡温度通常高达135℃。
在过去几年中,功率MOSFET在开态电阻率上有了大幅的改进。半导体裸片的尺寸对于方程 1的 (Von x Ion) 和 Rth举足轻重。这种改进能使较小尺寸的裸片拥有与传统较大型MOSFET相同的开态电阻率。但是,较小型的 MOSFET会增加热阻。采用沟道结构及对该技术进行改进后,开态电阻性能有了显着改善。可以看到功率密度在过去10年中几乎提高了一个量级。不幸的是,在引擎控制单元 (ECU) 中的功率器件接口的热性能却未能跟上。事实上,随着表面贴装器件的需求增加,现代ECU的功率器件已不再与散热片直接连接。以前,采用TO-220封装的功率MOSFET会与散热片连接。现在,散热大多是通过DPAK直接焊接在PCB上实现,并利用连接孔至隔离端面的焊盘与散热片相连。

这里是12mm x 8mm PQFN 封装的背面,将两个较大型控制器的功能纳入到
一个较小型的封装中:利用最新的功率MOSFET 处理功率,并利用最新的 IC
技术处理数据。

这里是有 3 个 DAP 和 5 个裸片组件的内部。这个多裸片封装可提供裸片基底之间的隔
离、功率裸片的低热阻及连接两个独立智能功率器件的能力。在这器件中,两个控制裸
片各有 12 个采用小金接合线的互连端点,以便将控制裸片的尺寸减到最小。控制 IC 并
利用不导电的黏接裸片附着,从功率裸片中进行隔离。功率器件采用厚铝接合线处理电
流,并透过焊接裸片附着提高功率耗散。由于功率裸片与 DAP 焊接,DAP 又与电路板
焊接,因此使到功率裸片到散热表面的热阻降至最低。

PQFN 封装无需外延引脚,因此可将尺寸减至最少。这里给出了两个点火 IGBT 外型尺
寸 (大致比例);两个 IGBT 都采用相同大小的裸片。但左边的 PQFN 封装比右边的 TO-
252 (Dpak) 封装小很多。这一点很重要,因为新的汽车点火装置设计已采用线圈上开关
技术,这对于必须安装在火花塞上笔型线圈上的电路来说,无疑是个板卡空间优势。
智能功率器件

智能功率器件需要同时处理功率和数据。多数情况下,采用特为信号处理而优化的芯片工艺执行器件的智能功能,并利用另一个完全不同的芯片来处理器件功率,比较具备成本效益。工艺的分开处理导致这些芯片必须重新集成到一个封装中,并能提供功率裸片与信号处理裸片之间及与外部电路之间的互连。这种封装应能同时实现功率处理、裸片互连、功率和信号连接,以及可能需要的裸片基底隔离,连同实体支撑和环境保护等功能。从功率结区到封装外壳的热阻抗要低,以实现对功率器件的冷却。热阻的影响将体现在方程(1)的“Rth”阻值上。将功率裸片附着的金属引线框向封装件表面延伸,可以有助于降低热阻。为降低功率器件底部的热阻抗和电阻抗,需要用采用焊膏裸片附着。采用不导电的环氧或聚酰亚胺材料能将控制裸片从功率开关裸片背后的潜在电势中隔离出来。

质量要求

汽车产品一般要求符合AEC针对集成电路制定的Q100规范或针对分立器件制定的Q101规范要求。其中的测试包括:工作寿命、温度/湿度/偏压测试如HAST或H3TRB、功率循环、温度循环和高温反向偏压 (HTRB)。除了可靠性应力外,封装材料的特性还应在性能方面取得平衡。这些特性包括塑模化合物电离特性、Tg、吸潮,以及室温下和升温后的形变模量。

封装技术能为今天的单裸片功率产品提供更佳的电气和热性能。随着产品朝着智能功率元件方向发展,优化的半导体芯片将整合于单一个更小型的智能功率封装中,为汽车电子产品带来所需的尺寸、电气、热量和环保性能表现。


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发表于 7-7-2007 12:31:38 | 显示全部楼层
不错不错


该用户从未签到

发表于 11-7-2007 10:13:02 | 显示全部楼层
hao好!!:loveliness:


该用户从未签到

发表于 7-8-2007 22:13:29 | 显示全部楼层
了解:handshake


该用户从未签到

发表于 3-9-2007 02:11:23 | 显示全部楼层
真好!正需要。谢谢!


该用户从未签到

发表于 14-9-2007 22:48:35 | 显示全部楼层

关于天然气汽车的一些资料

压缩天然气汽车的推广使用手册
一、天然气汽车基本知识
             1、什么是天然气汽车
  简单地说,天然气汽车是以天然气为燃料的一种气体燃料汽车。
  天然气的甲烷含量一般在90%以上,是一种很好的汽车发动机燃料。目前,天然气被世界公认为是最为现实和技术上比较成熟的车用汽油、柴油的代用燃料,天然气汽车已在世界和我国及我市得到了推广应用。
  我市目前推广应用的是可分别燃用压缩天然气或汽油压缩天然气—汽油两用燃料汽车,简称CNG汽车,今后还将大力推广应用单燃料天然气汽车。车用压缩天然气的压力一般在20MPa左右。可将天然气,经过脱水、脱硫净化处理后,经多级加压制得。其使用时的状态为气体。
2、天然气汽车的主要优缺点
(1)天然气汽车是清洁燃料汽车。天然气汽车的排放污染大大低于以汽车为燃料的汽车,尾气中不含硫化物和铅,一氧化碳降低80%,碳氢化合物降低60%,氮氧化合物降低70%。因此,许多国家已将发展天然气汽车作为一种减轻大气污染的重要手段。
(2)天然气汽车有显著的经济效益。
●可降低汽车营运成本。目前天然气的价格比汽油和柴油低得多,燃料费用一般节省50%左右,使营运成本大幅降低。由于油气差价的存在,改车费用可在一年之内收回。
●可节省维修费用。发动机使用天然气做燃料,运行平稳、噪音低、不积炭,能延长发动机使用寿命,不需经常更换机油和火花塞,可节约50%以上的维修费用。
(3)比汽油汽车更安全
  首先与汽油相比,压缩天然气本身就是比较安全的燃料。这表现在:
  燃点高。天然气燃点在650。C以上,比汽油燃点(427。C)高出223。C,所以与汽油相比不易点燃。
  密度低。与空气的相对密度为0.48,泄漏气体很快在空气中散发,很难形成遇火燃烧的浓度。
  辛烷值高。可达130,比目前最好的96号汽车辛烷值高得多,抗爆性能好。
  爆炸极限窄。仅5~15%,在自然环境下,形成这一条件十分困难。
  释放过程是一个吸热过程。当压缩天然气从容器或管路中泄出时,泄孔周围会迅速形成一个低温区,使天然气燃烧困难。
  其次,压缩天然气汽车所用的配件比汽油车要求更高。表现在:
  国家颁布有严格的天然气汽车技术标准。从加气站设计、储气瓶生产、改车部件制造到安装调试等,每个环节都形成了严格的技术标准。
  设计上考虑了严密的安全保障措施。对高压系统使用的零部件,安全系数均选用1.5~4以上,在减压调节器、储气瓶上安装有安全阀,控制系统中,安装有紧急断气装置。
  储气瓶出厂前要进行特殊检验。气瓶经常规检验后,还需充气作火烧、爆炸、坠落、枪击等试验,合格后,方能出厂使用。
  中外发展天然气60年来,从未出现过因天然气爆炸、燃烧而导致车毁人亡的事实证明,压缩天然气汽车是十分安全可靠的。
(4)CNG汽车的动力性略有降低。燃用天然气时,动力性略下降5~15%。
(5)改装一次性投资大。目前,改装一辆CNG汽车大约需1万元左右。
3、CNG汽车的结构简介
  CNG汽车采用定型汽油车改装,在保留原车供油系统的情况下,增加一套“CNG型车用压缩天然气装置”。改装部分由以下三个系统组成。
(1)天然气系统。主要由充气阀、高压截止阀、天然气钢瓶、高压管线、高压接头、压力表、压力传感器及气量显示器等组成。
(2)天然气供给系统。主要由天然气高压电磁阀、三级组合式减压阀、混合器等组成。
(3)油气燃料转换系统。主要由三位油气转换开关、点火时间转换器、汽油电磁阀等组成。
  天然气钢瓶的瓶口处安装有易熔塞和爆破片两种保安装置,当气瓶温度超过100。C或压力超过26MPa时,保安装置会自动破裂卸压;减压阀上设有安全阀;气瓶及高压管线安装时,均有防震胶垫,卡固牢固。因此,该系统在使用中是安全可靠。
  CNG汽车以天然气作燃料时,天然气经三级减压后,通过混合器与空气混合进入气缸,压缩天然气由额定进气压力20MPa减为负压,其真空度为49~69kPa。减压阀与混合器配合可满足发动机不同工况下混合气的浓度要求。
  减压阀总成设有怠速电磁阀,用以供给发动机怠速用气;压缩天然气减压过程中要膨胀做功对外吸热,因此在减压阀上还设有利用发动机循环水的加温装置;为提高该车的操作性能,驾驶室设置有油气燃料转换开关,用来统一控制油气电磁阀及点火时间转换器;点火时间转换器由电路系统自动转换两种燃料的不同点火提前角;仪表板上气量显示器的5只红绿灯显示气瓶的储气量;燃料转换开关上还设有供发动机起动的供气按钮。
4、CNG汽车的工作原理
  该系统分天然气气路、汽油油路和控制电路三大部分。
  充气站将压缩天然气,通过充气阀充入贮气瓶至20MPa。当使用天然气作燃料时,手动截止阀打开,安装在驾驶室内的油气燃料转换电开关,扳到“气”的位置,此时天然气电磁阀打开,汽油电磁阀关闭,贮气瓶内的20MPa高压天然气通过高压管路进入减压调节器减压,再通过低压管路、动力阀进入混合器,并与经空气滤清器进入的空气混合,经化油器通道进入发动机气缸燃烧。减压调节器与混合器相匹配,根据发动机的各种不同工况产生不同的真空度,自动调节减压调节器的供气量,并使天然气与空气均匀混合,满足发动机不同工况的使用要求。动力阀是一个调节天然气管道截面积的装置,可调节混合气的空燃比,使空燃比达到最佳状态。
  油路中安装一个汽油电磁阀,其余部件均保留不变。当使用汽油作燃料时,司机将油气燃料转换开关扳到“油”的位置,此时天然气电磁阀关闭,汽油电磁阀打开,汽油通过汽油电磁阀进入化油器、并吸入气缸燃烧。燃料转换开关有三个位置,当拨到中位时,油、气电磁阀均关闭,该功能是专门用来由汽油转换到天然气时,烧完化油器室里残存汽油而设置的,以免发生油气混烧现象。
5、CNG汽车的主要技术性能
使用天然气燃料,车辆主要技术性能如下:
发动机额定功率 不低于原车的85%
发动机最大扭矩 不低于原车的90%
汽车最高车速 不低于原车的90%
汽车加速性能 不低于原车的85%
直接档最低稳定车速 不高于原车的5%
天然气额定充气压力 20MPa
1立方米天然气可代替汽油 0.8kg以上
一次充天然气行驶里程 客车、货车不低于180km
轿车、微车不低于200km
汽车污染物排放 CO含量≤1.5%
HC含量≤1000PPM
二、CNG汽车的改装
  为了确保CNG汽车的安全和改装质量,国家和重庆市对CNG汽车的改装制定了严格的管理规定。定型在用汽车改装成CNG汽车,必须在经过认证的指定改装厂进行改装。
1、车辆改装手续办理方法
(1)车辆改装前,应由车主向当地机动车辆管理部门提出申请,经车辆管理部门认可,填写车辆改装申请表,方可到指定的CNG汽车改装企业进行改装。
(2)车辆改装完毕后,应持改车单位发给的车辆改装合格证,连同改装申请表一起到车辆管理部门办理机动车辆异动手续。
(3)CNG汽车驾驶员应经市车管所培训,并取得合格证,在车辆管理部门注册后,方能驾驶天然气汽车。
2、对被改装车辆的技术要求
  车辆改装前,应进行车辆性能检查,主要检查发动机的起动性和动力性,要求发动机起动性能良好,加速灵敏,最大功率和最大扭矩不得低于发动机设计标定值的90%,否则该车不宜改装。送改车的主要技术性能指标应满足下表的要求,方能改装。
   技术指标
发动机
(1)最大功率、最大扭矩不得低于发动机设计标定值的90%
(2)发动机压缩比>7.3
(3)各汽缸压力>0.85MPa,且压力差不得超过平均缸压的5%
(4)怠速时进气管的真空度<-0.0567MPa(负气压)
(5)发动机在使用汽油时,各转速工况下运行稳定,突然加速或减速时不得有突爆,化油器不回火,机油压力稳定
电气
(1)蓄电池空载电压>12.4V;起动电压>8.5V
(2)发动机正常发电;起动机正常工作
(3)分电器白金电压<0.2V,分度误差<1.,火花塞间隙调正确,不积碳
整车
(1)整车各总成工作正常
(2)整车技术附合GB7258—1997《机动车安全运行技术条件》要求
3、改装系统的安装
(1)天然气钢瓶安装。
  气瓶应安装在汽车的安全部位,不得影响汽车行驶性能。根据各车型具体情况,可安装在汽车车架旁、副纵梁上或驾驶室与车箱之间。气瓶与固定卡子间应垫胶垫,安装必须牢固。气瓶固紧后,沿汽车纵向施加8倍于气瓶重量的力,不得发生位移或松动。
(2)高压管线安装
  高压管线用卡套式高压接头与气瓶连接,气瓶间及靠近减压阀处管线应有抗震弯,管线固定卡子间距不得大于600mm,卡子及穿越孔板处应安装橡胶垫。安装在驾驶室、载人车厢或行李厢的气瓶或管线接头,必须设置能将泄漏气体排出驾驶室或车厢外的通风口等装置。
(3)减压阀安装
  减压阀安装在振动较小的驾驶室前挡板或发动机的其它地方,减压阀膜片应垂直于地面,远离排气管和其它热源,尽可能与化油器靠近。减压阀安装好后,将发动循环水接到减压阀水道上。
(4)安装其它附件
1)安装高压截止阀、压力表、连接高压管线;
2)安装混合器与低压管线,连接减压阀及混合器;
3)在化油器和输油泵之间安装汽油电磁阀,注意电磁线圈应向上;
4)在适当位置安装充气阀;
(5)安装电器部件
  根据选用电器部件的多少,按有关说明要求进行接线和安装。安装时应注意以下两点:
1)在驾驶室内便于操作和观察的位置,安装燃料转换开关及气量显示器,在适当的位置装点火时间转换器;
2)按电路图连接所有电器线路,注意电器部件良好搭铁。
三、CNG汽车的调试使用
1、CNG汽车的调试
(1)天然气泄漏试验
  先缓慢充天然气到大约10MPa,使用检漏液检查有关部位,经确认无漏气后再充气到20MPa,进一步仔细检漏。
(2)燃料转换调试
  先用汽油起动发动机,然后再把燃料开关扳到中间位置,切断两种燃料供应,使发动机转速保持在2000转/分左右,待化油器内剩余的汽油将用完,发动机开始抖动时(或声音变化),立即将燃料转换开发板到天然气位置,发动机运动正常说明天然气燃烧良好。如果发动机运转不正常,可调整点火时间或检查其它电路系统。
(3)点火正时调整
  将燃料转换开关置于“气”位置,启动发动机,按原调节经验整分电盘位置,使点火时间达到最佳后,固定分电盘。然后将燃料转换开关置于“油”位置,通过调整点火时间转换器上的旋钮或数字调节进行调整,调到最佳点火时间为止。
(4)怠速和起动调式
1)用汽油运行发动机,按原汽油车调整方法调好汽油的怠速。
2)用天然气运行发动机,调整减压阀上的怠速调节手柄,直到获得稳定的最低空转转速。方法是:先将减压阀怠速调节手柄旋死,旋松1.5圈左右即可,如不理想,再配合化油器调节螺钉进行微调。
3)熄火后用天然气直接起动,看天然气起动是否容易、迅速,如启动性能不良,应重新调整。
(5)加速性调式
  用天然气运行发动机,在原地让发动机怠速动转,然后反复快速猛轰油门,看发动机转速变化是否迅速圆滑,如果不行,调整减压阀三级阀调节旋钮,直到满意为止。
(6)天然气与空气的空燃比调整
1)在底盘测功机上,发动机使用天然气燃料用直接档加载运转,使发动机处于最大扭矩工况,然后用废气分板仪测试发动机尾气,调整动力阀调整螺钉,使CO值为1.0~1.5%,固定动力阀调整螺钉,然后再将怠速、启动和加速复查一遍,反复调整。
2)在车辆运行中,也可根据经验,直接调整动力阀,校正发动机空燃比。
(7)松动压力传感器外壳固定螺钉,左右微动外壳(内有滑动电阻),观察压力表和显示灯亮熄情况,调整合适后,锁紧外壳固定螺钉。
2、CNG汽车的驾驶操作
  CNG汽车驾驶员必须经过技术培训,取得合格证后方能驾驶天然气汽车。
(1)汽车起动前:缓慢开启各天然气瓶阀,然后缓慢开启高压截止阀,观察压力表,了解天然气压力,检查管线接头和减压阀是否漏气。打开气阀时,人不要站在阀和气瓶的正面。
(2)、天然气启动:将燃料转换开关扳到“气”位置,点火开关置于“点火”位置,燃料转换开关上的指示灯亮,即可按汽车正常操作程序启动运行。
(3)天然气转换为汽油:将燃料转换开关从“气”位置一次扳到“油”位置即可可,在转换过程中发动机会出现轻微的停顿现象,所以最好不要在交通拥挤的地方进行,如果在停驶状态下进行转换,应将发动机转速提高后进行,以免熄火。
(4)汽油转换为天然气:先将燃料转换开%


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发表于 18-5-2008 13:39:56 | 显示全部楼层
很好!谢谢!

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