浅谈汽车发动机电子水泵作用及其失效

张 松，于 萍，席洪亮，云 非，尹建东，王瑞平，2

（1.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江 宁波 315336；2.浙江吉利动力总成有限公司，浙江 宁波 315800）

随着国家排放法规越来越严格以及降油耗要求，车企越来越多地向混动或纯电动汽车发展。而对于传统燃油汽车，主机厂越来越多地应用先进技术以减少排放和减低油耗。电子水泵逐渐被各主机厂广泛应用，其作为发动机及整车热管理的重要组成部分，发挥了重要作用。

1 电子水泵作用

水泵作为发动机冷却系统的重要零部件，为冷却系统各零部件输送冷却液，将发动机以及各发热零件的热量散出，防止发动机各零部件过热失效。而电子水泵通过ECM控制，可以根据需求提供冷却液，在冷机时不运转或低速运转实现快速热机，在发动机大负荷时可以高速运转维持发动机在最优温度范围内工作，以达到快速暖机、降低油耗的作用。

2 电子水泵发展情况

目前，国产汽车品牌中使用电子水泵并且已经达到量产的并不多。市场上已量产的大功率电子水泵厂家大多是外资企业研发，主要是因为外资或合资汽车品牌在电子水泵的应用上领先于国内；另外也受制于国内电子水泵行业发展比较缓慢，许多工艺及关键技术还不成熟。但是近年来，受到国家排放和油耗法规越来越严格的影响，国内电子水泵行业发展迅速，许多传统机械水泵的企业开始研发电子水泵。

对传统燃油发动机来说，在12V电系统下，电子水泵要达到机械水泵的功率比较困难，因为电流会很大，对控制器设计是一个很大的考验。电子水泵功率等级受发动机设计的影响，目前主流的电子水泵功率为400～450W，部分会达到600W，主要用于增压发动机；而日系的自然吸气发动机，例如本田、丰田等，使用的电子水泵功率为160～200W。

虽然近年来，国内电子水泵行业发展迅速，通过开发小功率电子水泵积累了一定的经验，但是对于大功率电子水泵，因为应用环境更复杂和苛刻、控制逻辑更复杂，且受技术和经验的缺乏限制，开发过程中失效情况较多。其中，MOSFET失效是较多且严重的一种失效。

本文针对发动机电子水泵开发过程中出现的失效案例，对失效机理进行分析，并提供相应的整改措施。

3 电子水泵MOSFET失效模式

MOSFET是电子水泵控制器集成电路上的重要元件。MOSFET的开关控制电机三相的导通和关断，通过调节占空比，即可调节水泵转速。当MOSFET失效后，电机会出现缺相而导致转速不稳，甚至直接导致电机不工作，发动机失去冷却而损坏。从宏观上分析，电子水泵失效主要有以下失效模式。

3.1 散热不良导致失效

MOSFET工作时会产生大量的热量，如果散热不及时，温度超过MOSFET的结温，则MOSFET将会被烧毁。

PCB板上按照电路的设计集成各种电子元器件（包括MOSFET）构成了控制器，因此对MOSFET散热即对控制器散热。通过研究目前主流电子水泵散热方式，有以下3种。

1）在铝壳体和控制器之间涂散热硅胶或贴散热硅胶垫。

2）使用陶瓷电路板。

3）在铝壳体和控制器之间用增加除散热硅胶以外的高导热材料，例如陶瓷板。

涂散热硅胶或贴散热硅胶垫因成本低、工艺简单是最常用的设计，在散热满足的前提下，优先选用此方法。但是如果工艺或者胶品选择不当，仍然会导致控制器过热失效。某电子水泵在开发过程中，由于工艺不合理，散热胶出现空化现象（图1），导致MOFET过热失效。

陶瓷电路板是目前比较先进的一种电路集成方式，但是由于成本高、国内技术成熟度低，并未广泛应用。陶瓷的导热系数高，将电路集成在陶瓷基板上，能有效提高控制器散热能力，防止MOSFET过热失效。

在控制器和壳体之间增加除散热硅胶以外的高导热材料是介于1）和2）之间的一种散热方案。

图1 散热胶空化现象

3.2 静电导致失效

MOSFET为静电敏感元件，如果操作不当，静电会导致MOSFET 直接被击穿而失效，如图2所示，8kV静电放电后，MOSFET晶圆出现裂纹，MOSFET失效。有些情况下，静电并不会导致MOSFET立即失效，但是元件内部已经出现一些隐患，MOSFET的性能劣化或下降，工作一段时间后最终失效。由于这种情况无法立即识别出失效，因此危害更大。

针对静电失效，最主要的是在控制器生产及物流、装配的整个过程中进行静电防护。

图2 8kV静电放电后MOSFET晶圆出现裂纹

3.3 粘接层空洞导致失效

芯片粘接层空洞将增大器件的热阻，影响散热的效果。已有研究表明，MOSFET焊料空洞对器件的热耗散有显著影响，并分析了不同空洞尺寸对器件散热的影响［1］。

某电子水泵在开发过程中出现MOSFET失效问题，排查发现失效MOSFET粘接层空洞达到约30%，如图3所示。而正常的MOSFET空洞率很小，如图4所示。有资料表明，30%粘接层空洞的热阻比无空洞时的热阻高约4倍，产生约25%的结温温升，对器件的可靠性有重大影响。对于半导体器件，结温每升高10℃，寿命降低一半［2］。

3.4 MOSFET选型及电路设计不合理导致失效

图3 空洞大MOSFET

图4 正常MOSFET空洞情况

MOSFET选型是电路设计中的一个重要工作。如果选型不当，MOSFET使用过程中也会产生故障。MOSFET作为开关功率器件，其本身具有开关的阈值。当MOSFET开通阈值过低，由于控制电路中开关过程中的振荡，导致MOSFET出现误开通，使上下桥臂直通。而由于MOSFET开通电阻很小，达到毫欧级别，因此很小的电压将会导致较大的电流通过MOSFET，产生过流故障或者直接过流损坏。

4 结语

1）电子水泵作用是为了降油耗。

2）目前国内电子水泵发展滞后于国外，但是发展迅速。

3）国内电子水泵失效主要集中在控制器上的MOSFET。

4）从宏观上来看，MOSFET失效原因有散热不良导致失效、静电导致失效、粘接层空洞大导致失效以及MOSFET选型和电路设计不合理导致失效。