Как обеспечить стабильность контроллеров домена ADAS при температуре от -40°C до 85°C (охлаждение SoC L2+/L3)

Сбой управления температурой ADAS  во время летних дорожных испытаний приводит к регулированию тактовой частоты системы на кристалле (SoC), потере кадров камеры или внезапной перезагрузке контроллера во время проверки проекта (DV). Стандартных литых алюминиевых корпусов достаточно для базовых блоков L2 мощностью 30 Вт, но для контроллеров домена L2+ и L3 (от 60 до 180 Вт) требуются литые корпуса со встроенными паровыми камерами из спеченной меди (VC) или тепловыми трубками, а для компьютеров L3/L4 мощностью 200 Вт+ требуются пластины с активным жидкостным охлаждением. В рамках нашего Серия руководств по проектированию автомобильного терморегулирования  . В этой статье описываются выбор архитектуры, контроль сопротивления интерфейса и правила квалификации от -40°C до 85°C.

1. Проблема охлаждения контроллера домена ADAS при температуре от -40°C до 85°C.

Когда команда разработчиков транспортных средств переходит от распределенных камер/радарных датчиков к централизованному контроллеру домена L2+ или L3, инженер-термотехник унаследует три противоречивых ограничения: концентрированный тепловой поток кремния, нулевой прямой поток воздуха над печатной платой и экстремальный рабочий диапазон окружающей среды, простирающийся от -40°C в арктических холодах до +85°C в летней кабине или под капотом.

Во время летних дорожных испытаний DV в пустыне температура в кабине припаркованного автомобиля или в зоне приборов за приборной панелью легко достигает 75–85 °C, прежде чем контур HVAC снижает температуру. Между тем, автомобильная SoC внутри контроллера должна поддерживать максимальную температуру кремниевого перехода (Tj) ниже 105°C или 125°C. В результате общее допустимое повышение температуры (дельта Т) составляет всего от 20°C до 40°C по всему тепловому пути от кремниевого кристалла до внешней среды.

1.1 Кремниевые горячие точки с высоким TOPS и отливки с низкой проводимостью

Современные процессоры автономного вождения, обеспечивающие от 100 до 500+ TOPS (триллионы операций в секунду, стандартный показатель вычислительной производительности для чипов искусственного зрения и сенсорного синтеза), концентрируют от 45 до 120 Вт тепла на одном корпусе BGA с перевернутым чипом размером примерно от 25 x 25 мм до 35 x 35 мм. Такая геометрия генерирует локализованные тепловые потоки от 12 Вт/см² до 35 Вт/см².

Корпус, окружающий эту печатную плату, почти всегда представляет собой алюминий, отлитый под высоким давлением (например, ADC12 или AlSi10Mg), выбранный для формирования сложных кожухов разъемов, монтажных проушин и экранирующих стенок от электромагнитных помех. Однако алюминий ADC12 имеет объемную теплопроводность всего от 96 до 105 Вт·м⁻¹·K⁻¹.

Когда SoC мощностью 70 Вт отдает тепло в литейную стенку ADC12 толщиной 3,5 мм, алюминий не может достаточно быстро распространять тепло в стороны. Крутой тепловой конус температурой от 15°C до 25°C образуется непосредственно над чипом. Ребра внешнего периметра корпуса недоиспользуются при температуре 68°C, в то время как SoC нарушает предел теплового регулирования в 105°C и переводит стек восприятия в ухудшенный безопасный режим.

1.2 Герметичные корпуса и плотные упаковочные конверты высотой Z

В отличие от блейд-серверов в центрах обработки данных, ЭБУ ADAS защищен от пыли и влаги и соответствует классу защиты IP65, IP67 или IP6K9K. Никакой свежий воздух не касается внутренних компонентов платы, включая микросхемы управления питанием (PMIC), микросхемы памяти DDR5 и трансиверы сериализатора/десериализатора (SerDes).

В то же время инженеры по упаковке транспортных средств обычно размещают контроллер домена под пассажирским сиденьем, за перчаточным ящиком или внутри боковой стенки багажника, ограничивая общую толщину корпуса от 28 до 45 мм. По сравнению с другими TOP 30 компонентов управления температурным режимом EV , контроллер ADAS имеет самый малый допуск по высоте Z на ватт отведенного тепла.

·  Корпуса с открытыми ребрами и естественной конвекцией  подходят для негерметизированных зон кабины с вертикальным воздушным зазором не менее 30 мм над законцовками ребер; низкопрофильные корпуса с тепловыми трубками или с жидкостным охлаждением  более подходят под сиденьями или за обшивкой, где застоявшийся воздух удерживает тепло.

·  Правило принятия решения 1:  Если общий температурный баланс переход-окружающая среда (дельта T) составляет 25°C или меньше, а мощность SoC превышает 45 Вт, исключите только литой под давлением провод ADC12 и добавьте двухфазное распределение тепла или жидкостное охлаждение.

2. Три технических направления для автономного вождения. Тепловое оборудование.

Команды инженеров, оценивающие охлаждение контроллера домена,  выбирают одну из трех проверенных на практике аппаратных архитектур. В каждом маршруте учитываются Z-высота, общая мощность, зависимость транспортного средства от сантехники и стоимость спецификации единицы.

 

2.1 Маршрут 1: Монолитный корпус с оребрением из литого под давлением алюминия (с воздушным охлаждением)

В контроллерах L2 начального уровня (например, в блоках с фронтальной камерой и радаром, рассеивающими от 20 до 45 Вт) одна крышка из литого под высоким давлением алюминия служит одновременно механической крышкой и радиатором. Приподнятые внутренние опоры (выступы) внутри отливки прижимают SoC, память и силовые индукторы с помощью соответствующих термопрокладок.

Если литейный сплав заменить стандартным ADC12 (~96 Вт·м⁻¹·K⁻¹) на специальные литые алюминиевые сплавы с высокой проводимостью (с мощностью от 140 до 160 Вт·м⁻¹·K⁻¹) или в сочетании с коваными/экструдированными ребристыми пластинами 6063-T6, пассивное воздушное охлаждение может растянуться. примерно до 50 Вт. Точные значения теплопроводности деформируемых и литых марок можно просмотреть в нашем справочнике по адресу автомобильные материалы из алюминия и меди.

2.2 Путь 2: литой корпус с VC или спеченными тепловыми трубками

Когда общая мощность платы достигает 60–160 Вт (типично для контроллеров шоссейных/городских пилотов с двойной SoC L2+ и ранних систем L3), производители часто отказываются прокладывать водно-гликолевые шланги в пассажирскую кабину из-за риска внутренних утечек и стоимости водопровода.

Чтобы обеспечить воздушное охлаждение корпуса, не допуская перегрева SoC, производители вырезают прецизионные каналы во внутренней или внешней поверхности литого под давлением алюминиевого корпуса и встраивают сплющенные медные тепловые трубки C1020 или плоский медный VC (паровая камера, плоский двухфазный вакуумный сосуд, который распределяет тепло по двум измерениям одновременно посредством испарения жидкости и конденсации пара). Небольшой автомобильный вентилятор с ШИМ (широтно-импульсной модуляцией) часто накрывается над внешними ребрами, чтобы обеспечить принудительное движение воздуха во время стационарного летнего затишья.

2.3 Маршрут 3: экструдированная, CNC или литая под давлением + FSW жидкостная холодная пластина

Как только центральная вычислительная платформа L3 или L4 объединяет несколько мощных SoC и дискретных графических процессоров общей мощностью от 180 Вт до 500 Вт+, воздушное охлаждение упирается в твердую физическую стену: выброс 350 Вт горячего воздуха в пассажирский салон нарушает работу системы кондиционирования автомобиля и создает неприемлемый вой вентилятора выше 48 дБА.

На этом уровне мощности контроллер переходит на корпус с активным жидкостным охлаждением. Змеевидный канал для жидкости отлит или фрезерован на станке с ЧПУ непосредственно в средней пластине алюминиевого корпуса и надежно герметизирован с помощью сварки трением с перемешиванием (FSW), отводя от 2 до 6 л/мин водно-гликолевой смеси 50/50 из контура охладителя автомобиля. Инженеры, разрабатывающие автономные компьютеры высокой мощности, могут оценить варианты маршрутизации каналов на нашем сайте. индивидуальной охлаждающей пластины для жидкости . Страница технических характеристик

·  Литые корпуса + VC/тепловые трубки  подходят для монтируемых в кабине контроллеров L2+/L3 мощностью от 60 до 150 Вт, где предпочтительна сухая установка; Корпуса с жидкостной охлаждающей пластиной FSW  больше подходят для компьютеров с несколькими SoC мощностью от 150 до 500 Вт+, в которых отвод тепла в кабине и шум вентилятора превышают ограничения OEM.

·  Правило решения 2:  Держите установленные в кабине контроллеры ADAS сухими с помощью воздушного охлаждения VC/тепловых трубок мощностью до 150 Вт; обязательное активное водно-гликолевое жидкостное охлаждение, если рассеиваемая мощность коробки превышает 160–180 Вт или поток местного SoC превышает 30 Вт/см².

3. Почему литой корпус + VC + тепловая трубка подходят для систем L2+ и L3

Большинство серийных пассажирских электромобилей, выпускаемых сегодня, находятся в диапазоне мощности от L2+ до L3 (от 65 Вт до 140 Вт). Для этих платформ сочетание алюминиевого корпуса, литого под высоким давлением, со встроенной сетью тепловых трубок VC  обеспечивает минимальную общую стоимость системы при прохождении летних дорожных испытаний DV.

3.1. Устранение узкого места, связанного с распространением чипов с плотностью от 15 до 30 Вт/см².

Наибольший вклад в общее тепловое сопротивление (Rth) в крышке ADAS с воздушным охлаждением вносит сопротивление боковому растеканию прямо над кристаллом SoC размером 25 x 25 мм. В то время как литой алюминиевый корпус проводит ток ~100 Вт·м⁻¹·K⁻¹, тепловая трубка из спеченной меди или паровая камера работают за счет внутреннего фазового перехода, достигая эффективной теплопроводности от 4000 до 12 000 Вт·м⁻¹·K⁻¹.

В типичной конструкции гибридной крышки каждый компонент выполняет определенную механическую и тепловую работу:

1. Подставка медной паровой камеры (VC):  припаянная или термически припаянная непосредственно к карману над основным SoC, VC принимает концентрированный тепловой поток 25 Вт/см² и выравнивает его по площади 90 x 90 мм, сокращая пиковое повышение температуры базовой платы на 8–14 °C.

2. Встроенные медные тепловые трубки D-образной формы:  от трех до пяти сплющенных медных тепловых трубок (обычно исходного диаметра 6 или 8 мм, прессованных до толщины 2,5 или 3,0 мм) собирают тепло от подставки VC или SoC и передают его на 150–250 мм наружу к ребрам радиатора по периметру отлитого под давлением корпуса.

3. Массив ребер из литого под давлением алюминия:  благодаря равномерному распределению тепла по 100% площади корпуса алюминиевые ребра отводят тепловую нагрузку в воздушный поток с высокой эффективностью ребер (более 85%).

Инженеры, которым требуются стандартные и нестандартные геометрии двухфазных труб, могут проверить радиусы изгиба труб и пределы сплющивания на нашем радиатора с тепловой трубкой . Страница

3.2 Методы механического соединения: термоэпоксидная смола или низкотемпературная пайка

От того, как медные тепловые трубки и паровая камера крепятся к отлитому под давлением алюминию, зависит, выдержит ли устройство 10 лет вибрации корпуса и термического удара.

 

В автомобильном производстве контроллеры L3 с высоким тепловым потоком (> 15 Вт/см²) требуют избирательного никелирования обработанной алюминиевой канавки с последующим оплавлением припоя без пустот (целевой показатель покрытия пропиткой от >= 85% до 90%, подтвержденный ультразвуковым C-сканированием). Пайка устраняет полимерный барьер эпоксидной смолы и механически фиксирует медную трубку от вибрации с высоким ускорением.

·  Двухкомпонентное конструкционное термоэпоксидное соединение  подходит для экономичных контроллеров L2+ мощностью от 50 до 80 Вт, где линия клеевого соединения толщиной 0,10 мм увеличивает повышение температуры менее чем на 1,5°C; селективное никелирование + оплавление металлическим припоем  больше подходит для контроллеров L3 мощностью от 90 до 150 Вт, где требуется минимальное контактное сопротивление и нулевое старение соединительных линий.

·  Правило решения 3:  Используйте пайку металлом (поверх никелированных канавок), а не полимерной эпоксидной смолой, если тепловой поток местного SoC превышает 15 Вт/см² или когда план испытаний DV требует 1000 циклов термического удара без дрейфа Rth.

4. Монтажные интерфейсы и основные узкие места теплового сопротивления (Rth)

Даже самая лучшая паровая камера или пластина жидкостного охлаждения выйдет из строя, если тепло не сможет проникнуть через зазор между компонентами печатной платы и металлическим корпусом. При охлаждении SoC L3 до 45% общего теплового сопротивления переход-воздух или переход-охлаждающая жидкость находится внутри TIM (материал термоинтерфейса, совместимая паста для заполнения зазоров, прокладка или пленка с фазовым переходом, которая вытесняет изолирующие воздушные карманы между сопрягаемыми поверхностями).

4.1 Допуски обработки бобышки опоры и копланарность

Внутри контроллера ADAS одна алюминиевая крышка корпуса должна одновременно контактировать с основным SoC, четырьмя-восемью блоками памяти DDR5, двумя PMIC и несколькими силовыми индукторами — каждый из которых расположен на разной высоте компонента над печатной платой.

Поверхности из литого алюминия выходят из формы для литья под давлением с шероховатостью поверхности Ra от 3,2 до 6,3 мкм и отклонениями плоскостности до 0,3 мм. Никогда не наносите TIM непосредственно на отлитую поверхность поверх мощного SoC. Каждая контактная подставка высокой мощности должна подвергаться вторичной резке на станке с ЧПУ для достижения:

·  Плоскостность локальной опоры:  <= 0,03–0,05 мм на пролет 100 мм.

·  Шероховатость поверхности:  Ra <= 1,6 мкм (или Ra <= 0,8 мкм при использовании тонких материалов с фазовым переходом).

·  Копланарность нескольких бобышек:  допуски по высоте ступеньки в пределах +/- 0,05 мм между соседними опорами микросхемы, чтобы винты, затягивающие печатную плату, не деформировали печатную плату.

4.2 Выбор TIM для сопротивления откачке от -40°C до 85°C

Когда печатная плата многократно нагревается и охлаждается в диапазоне от -40°C до +85°C, плата из стекловолокна FR4 и алюминиевый корпус расширяются и сжимаются с разной скоростью, создавая микроскопическое горизонтальное чистящее и вертикальное дыхательное движение на интерфейсе подставки.

1. Двухкомпонентные дозируемые жидкие заполнители зазоров (от 3,0 до 7,0 Вт·м⁻¹·K⁻¹):  роботизированное дозирование наносит жидкий силикон или несиликоновые шарики, которые затвердевают на месте при низкой силе сжатия. Поскольку пиковое давление сжатия остается ниже 30–50 фунтов на квадратный дюйм, жидкостные заполнители зазоров предотвращают растрескивание шариков припоя BGA на больших корпусах SoC размером 35 x 35 мм, сохраняя при этом толщину линии соединения (BLT) примерно от 0,25 мм до 0,50 мм.

2. Предварительно нарезанные эластомерные термопрокладки (от 3,0 до 8,0 Вт·м⁻¹·K⁻¹):  удобны для доработки, но требуют отклонения при сжатии от 30% до 40% для снижения контактного сопротивления, что может привести к изгибу тонких печатных плат, если стойки для винтов расположены слишком далеко друг от друга.

3. Материалы с фазовым переходом (PCM) и высоковязкая шпаклевка:  используются непосредственно поверх SoC с голым кристаллом или с крышкой, мощность которых превышает 20 Вт/см², где подпружиненная опора, обработанная на станке с ЧПУ, удерживает толщину линии соединения от 0,05 до 0,15 мм. Обычно избегают использования стандартной термопасты низкой вязкости при работе с широкими автомобильными зазорами, поскольку дифференциальное тепловое расширение сжимает («выкачивает») смазку к краям в течение 500 термических циклов, оставляя сухие пятна над центром матрицы.

·  Предварительно вырезанные силиконовые термопрокладки  подходят для маломощных микросхем памяти и индукторов, требующих легкой разборки в полевых условиях; Распределенные двухкомпонентные заполнители зазоров, отверждаемые на месте,  более подходят для хрупких многочиповых массивов SoC BGA, чтобы минимизировать механическое напряжение на плате.

·  Правило решения 4:  Обработать все контактные опоры SoC до плоскостности <= 0,05 мм и соединить их с автоматическими затвердевающими жидкими заполнителями зазоров (от 0,20 до 0,40 мм BLT), чтобы предотвратить как разрушение шариков припоя BGA, так и вытекание термопасты.

5. Основы проверки конструкции (DV): выдержка при автомобильных испытаниях при температуре от -40C до 85C.

Тепловое решение, работающее на стенде инженерной лаборатории при температуре окружающей среды +25°C, может привести к катастрофическому сбою во время проверки конструкции автомобиля (DV) и проверки производства (PV). При аттестации теплового оборудования для автономного вождения  команды по закупкам и качеству должны проверить четыре режима отказа, характерных для автомобилей.

5.1 Циклы замораживания-оттаивания при минусовых температурах и холодный запуск при -40°C

Медные тепловые трубки и паровые камеры используют сверхчистую деионизированную воду в частичном вакууме в качестве рабочей жидкости, поскольку вода имеет самую высокую скрытую теплоту парообразования среди безопасных жидкостей. Однако вода замерзает при температуре 0°C.

Когда электромобиль паркуется на ночь северной зимой при температуре -40°C, вода внутри фитиля тепловой трубки замерзает. Возникают два риска неудачи:

·  Расширение и разрыв стенки трубки:  если производитель тепловых трубок переполняет заправку жидкости или использует плохо спеченный фитиль, расширение воды во время замерзания растягивает тонкую стенку медного контейнера. После 200–500 циклов замораживания-оттаивания медь затвердевает, появляются микротрещины, теряет вакуум и перестает полностью передавать тепло.

·  Высыхание при запуске замороженного конденсатора:  когда водитель запускает автомобиль при температуре -40°C, система ADAS SoC загружается немедленно и в течение нескольких секунд резко возрастает до 60 Вт, в то время как внешний конденсаторный конец тепловой трубки все еще замерзает при температуре -40°C. Пока тепло, проходящее через алюминиевую стенку, не разморозит зону конденсатора, жидкость не сможет вернуться в испаритель. Правильно спроектированный автомобильный корпус обеспечивает достаточную твердую алюминиевую массу (тепловую емкость) прямо под опорой SoC, чтобы поглотить первые 60–120 секунд тепла при загрузке, пока тепловая трубка плавно оттаивает.

5.2 Чувствительность к наклону автомобиля/дороге и конструкция спеченного фитиля

В отличие от стационарных стоек связи, автомобили ездят вверх и вниз по крутым горным склонам (уклон до 30% или уклон ~17 градусов) и по крутым поворотам.

Если тепловая трубка опирается на простые осевые канавки или фитили из проволочной сетки, а наклон автомобиля ставит горячий SoC (испаритель) физически выше, чем внешние охлаждающие ребра (конденсатор), гравитация препятствует возврату жидкости. Испаритель пересыхает, и температура SoC подскакивает на 25°C в течение минуты. В автомобильных тепловых трубках и паровых камерах ADAS должны использоваться тонкие фитили из спеченного медного порошка  (с контролируемым радиусом пор от 20 до 50 мкм), чтобы капиллярное всасывание преобладало над гравитацией даже при работе под неблагоприятными углами наклона.

5.3 Термический удар, случайная вибрация и квалификация для работы в соляном тумане

Прежде чем подписывать детали для образцов B или C, попросите поставщика тепловых продуктов проверить сборки на соответствие следующим базовым пороговым значениям испытаний DV:

1. Циклическое термическое воздействие (ISO 16750-4):  1000 циклов от -40°C до +85°C (или +105°C) с временем выдержки 30 минут. Сдвиг теплового сопротивления (Rth) после испытания между основанием SoC и массивом ребер должен оставаться в пределах от +/- 5% до 8%, что свидетельствует об отсутствии расслоения припоя или потери вакуума на тепловой трубке.

2. Синусоидальная и случайная вибрация (ISO 16750-3):  многоосевые вибрационные испытания (обычно от 10 Гц до 2000 Гц, среднеквадратичное значение от 30 до 50 м/с² в зависимости от монтажа корпуса и шасси) для проверки отсутствия трещин на консольных тепловых трубках, креплениях вентиляторов и отверстиях для жидкостных сопел FSW.

3. Коррозия из-за солевого тумана и влажности (IEC 60068-2-52 / ASTM B117):  от 240 до 720 часов в нейтральном или циклическом солевом тумане. Открытые медные тепловые трубки или паровые камеры, встроенные в алюминиевый корпус, должны быть герметизированы с помощью трехвалентной хроматовой пассивации, селективного никелирования или электрофоретической краски (e-покрытия) для предотвращения гальванической коррозии вдоль шва медь-алюминий.

4. Правило принятия решения 5.  В спецификациях испытаний DV укажите медные фитили из спеченного порошка, проверенные в ходе 1000 циклов термического удара замораживания-оттаивания (от -40°C до +85°C), и потребуйте максимального ухудшения Rth после цикла <= 8%.

6. Матрица решений выбора по мощности SoC, объему и стоимости

Чтобы помочь системным архитекторам и менеджерам по закупкам подобрать подходящее охлаждающее оборудование на этапе запроса предложений, в таблице ниже показаны уровни автономного вождения в зависимости от тепловой архитектуры, производственного маршрута и индекса затрат.

 

6.1 Реальный инженерный сценарий: решение проблемы регулирования SoC L3 в корпусе под сиденьем толщиной 34 мм

·  Предыстория:  Автомобильный уровень 1 разрабатывал контроллер домена L3 с двумя SoC, рассеивающий в общей сложности 125 Вт (с двумя основными процессорами мощностью 45 Вт и нагрузкой памяти/PMIC 35 Вт), установленный под сиденьем переднего пассажира в пределах строгого ограничения по высоте 240 x 190 x 34 мм.

·  Задача:  во время испытаний DV в камере +80°C первоначальный прототип, в котором использовался прочный литой корпус ADC12 с внешним вентилятором, подвергся воздействию горячей точки с температурой 21°C непосредственно над двумя кристаллами SoC, в результате чего температура перехода выросла до 114°C (на 9°C выше порога регулирования 105°C). Прокладка шлангов охлаждающей жидкости под направляющей сиденья была отклонена командой внутренней безопасности OEM-производителя.

·  Технические соображения и логика выбора:  Чтобы сохранить воздушное охлаждение без увеличения высоты Z, основание корпуса непосредственно над двумя SoC было фрезеровано для размещения паровой камеры из никелированной меди толщиной 3,0 мм (95 x 140 мм), поддерживаемой четырьмя сплющенными 6-миллиметровыми медными тепловыми трубками из спеченной меди, припаянными в канавках, идущих к ребрам кожуха по периметру. Опоры были вырезаны на станке с ЧПУ до плоскостности 0,04 мм для жидкого заполнителя толщиной 0,30 мм. Модернизация VC + тепловая трубка снизила температуру горячей точки опоры SoC на 13,5°C, сохранив Tj на уровне 100,5°C при температуре окружающей среды 85°C и выдержав 1000 циклов термического удара от -40°C до +85°C.

·  Правило принятия решения 6:  Если ЭБУ L2+/L3, установленный под сиденьем или в кабине, мощностью от 80 до 150 Вт перегревается при стандартном литье под давлением, необходимо интегрировать паяную медную паровую камеру и спеченные тепловые трубки, прежде чем прибегать к системе жидкостного охлаждения кабины.

Производство гибридного корпуса ADAS требует тесной координации между литьем под высоким давлением, прецизионным фрезерованием опор с ЧПУ, спеканием тепловых трубок/VC, оплавлением припоя, ультразвуковым C-сканированием пустот и герметизацией каналов жидкости FSW. Компания Guangdong Winshare Thermal Technology Co., Ltd., основанная в 2009 году в Дунгуане, управляет предприятием площадью 60 000 м² со штатом более 800 сотрудников и более 200 патентами в соответствии с сертификатами IATF 16949, ISO 9001, ISO 14001 и ISO 45001. Поскольку Winshare самостоятельно занимается литьем под давлением, механической обработкой с ЧПУ, зачисткой, сборкой тепловых трубок/VC, сваркой трением с перемешиванием и вакуумной пайкой, а также строит новый завод в Чонбури, Таиланд, наша команда поставляет полностью проверенные корпуса контроллеров домена ADAS и охлаждающие пластины для лидеров отрасли, включая BYD, Geely, Chery, XPeng, Lucid, Li Auto, Sungrow и Delta.

7. Заключение

Для поддержания стабильности терморегулирования ADAS  в диапазоне от -40°C до 85°C необходимо согласовать ваше теплораспределительное оборудование с локализованным тепловым потоком SoC, а не полагаться только на объемный размер корпуса. Выполните эти четыре инженерных правила в своей следующей программе контроллера автономного вождения:

·  Обновление после голого ADC12 мощностью выше 45 Вт:  как только рассеиваемая мощность SoC превышает 45–50 Вт, литой под давлением алюминий без покрытия создает серьезные распространяющиеся горячие точки; встраивайте тепловые трубки из спеченной меди или медную испарительную камеру непосредственно над пьедесталом процессора.

·  Держите блоки L2+/L3 в кабине сухими до 150 Вт, а затем переходите в жидкое состояние:  используйте литые корпуса + VC/тепловые трубки для контроллеров, монтируемых в кабине от 60 до 150 Вт, и переключитесь на водно-гликолевые охлаждающие пластины с герметизацией FSW для центральных вычислительных платформ L3/L4 мощностью от 160 до 500 Вт+ L3/L4.

·  Управляйте интерфейсом пьедестала:  обрежьте все мощные чипсеты с ЧПУ до плоскостности <= 0,05 мм на 100 мм, припаяйте (а не эпоксидной) высокофлюсовые VC к никелированным карманам и используйте жидкие заполнители зазоров, отверждаемые на месте, чтобы предотвратить вытекание термопасты.

·  Обеспечьте безопасность автомобильных ворот DV при замораживании-оттаивании:  аттестуйте тепловые трубки и VC со спеченным фитилем на 1000 циклов термического удара (от -40°C до +85°C) с ультразвуковой проверкой соединения и герметизацией от коррозии солевым туманом.

 

Часто задаваемые вопросы

Не лопнут ли заполненные водой медные тепловые трубки, когда электромобиль будет припаркован при -40C?

Нет, если они разработаны специально для автомобильных циклов замораживания-оттаивания. В то время как стандартные тепловые трубки коммерческой электроники могут вздуваться или трескаться при температуре ниже -20°C, в медных тепловых трубках автомобильного класса используются строго дозированные коэффициенты заполнения деионизированной водой (обычно от 15% до 22% парового пространства), стенки из бескислородной меди C1020 с высокой пластичностью и фитили из спеченного порошка, которые обеспечивают радиальное расширение льда, не разрушая стенку в течение более 1000 циклов при температуре -40°C.

Насколько камера паров меди (VC) может снизить температуру перехода SoC по сравнению с литым под давлением алюминием ADC12 без покрытия?

В типичной однокристальной системе ADAS мощностью от 50 до 80 Вт с площадью кристалла 25 x 25 мм встраивание медной паровой камеры размером 2,5–3,5 мм в основание корпуса ADC12 снижает сопротивление растеканию проводимости на 50–70 %, обычно снижая пиковую температуру перехода SoC на 8 – 15 °C при идентичных условиях воздушного потока.

Должны ли тепловые трубки и испарительные камеры монтироваться внутри (со стороны печатной платы) или снаружи (со стороны ребер) литой крышки ADAS?

Установка VC или тепловых трубок на внутренней поверхности (непосредственно контактируя с TIM над SoC) обеспечивает наименьшее тепловое сопротивление, поскольку тепло поступает в медную камеру фазового перехода сразу, не проходя сначала через алюминиевую стенку с низкой проводимостью. Однако, если внутренние отсеки для экранирования электромагнитных помех или высота ступеней препятствуют внутреннему размещению, широко используемой альтернативой является фрезерование канавок во внешней стене непосредственно напротив утонченной (1,5–2,0 мм) алюминиевой опоры.

Как предотвратить гальваническую коррозию между медными тепловыми трубками и литым алюминиевым корпусом?

Соприкосновение голой меди с голым алюминием в присутствии влажного соленого дорожного воздуха создает гальванический элемент, который разъедает алюминиевую канавку и ухудшает тепловой контакт. Производители предотвращают это путем никелирования медных тепловых трубок/VC, нанесения трехвалентного хроматного конверсионного покрытия на алюминиевую отливку, пайки соединения без открытых щелей и герметизации внешнего шва эпоксидной заливкой или электрофоретическим покрытием (e-coat).

Когда экструдированная жидкостная охлаждающая пластина + FSW лучше, чем литой корпус + FSW для контроллера домена L4?

Если для корпуса контроллера требуются сложные трехмерные разъемные отсеки, встроенные монтажные кронштейны и охлаждение печатной платы сверху и снизу, литой корпус с приваренной FSW крышкой канала для жидкости идеально подходит для больших объемов (> 20 000 единиц в год). Если годовой объем меньше (от 1000 до 10 000 единиц в год) или холодная пластина представляет собой многослойную пластину с плоским центром, охлаждаемую с обеих сторон двумя печатными платами, изготовленная на станке с ЧПУ или экструдированная пластина 6061/6063, герметизированная с помощью FSW, позволяет избежать дорогостоящей формы NRE для литья под давлением и обеспечивает более высокую объемную теплопроводность (от 167 до 209 Вт·м⁻¹·K⁻¹ против ~96 Вт·м⁻¹·K⁻¹).

Как проверить качество пайки между трубкой VC/тепловой трубкой и алюминиевым корпусом при массовом производстве?

В соответствии с контролем процесса IATF 16949 производители используют неразрушающее ультразвуковое C-сканирование (или рентгеновский контроль) для картирования слоя припоя между сплющенной тепловой трубкой/VC и обработанным алюминиевым карманом, отбраковывая детали с общим количеством пустот припоя более 15% или любыми одиночными пустотами, превышающими 3 мм, непосредственно под пятном SoC.