散熱為什么很重要？對(duì)于大多數(shù)半導(dǎo)體應(yīng)用來(lái)說(shuō)，快速轉(zhuǎn)移裸片熱量并使熱量散發(fā)到更大的系統(tǒng)中去可以防止硅片上產(chǎn)生熱量高度集中的區(qū)域。

硅裸片的典型工作溫度從105℃到150℃，取決于具體的應(yīng)用。在較高溫度時(shí)，金屬擴(kuò)散越來(lái)越厲害，最終器件將因短路而發(fā)生故障。

裸片的可靠性很大程度上取決于裸片在高溫環(huán)境下所處的時(shí)間。在很短的時(shí)間內(nèi)，硅裸片可以承受的溫度遠(yuǎn)高于經(jīng)公布的可接受值。但是，隨著時(shí)間的推移，器件的可靠性將受到影響。

由于存在功率需求和發(fā)熱限制之間的這種微妙平衡，熱建模已經(jīng)成為汽車(chē)行業(yè)的一種重要工具。汽車(chē)安全行業(yè)如今追求的是更小的組件和更少的器件數(shù)量，這迫使半導(dǎo)體供應(yīng)商用更高的功耗換取在芯片中集成更多功能。

由此產(chǎn)生的更高溫度最終將影響可靠性，進(jìn)而影響汽車(chē)安全性。但通過(guò)在設(shè)計(jì)周期早期優(yōu)化裸片布局和電能脈沖時(shí)序，設(shè)計(jì)工程師可以用更少的硅測(cè)試裝置提供最優(yōu)化的設(shè)計(jì)，從而進(jìn)一步縮短開(kāi)發(fā)周期。

半導(dǎo)體熱封裝

汽車(chē)電子行業(yè)使用多種不同的半導(dǎo)體封裝類型，從小型單功能晶體管到復(fù)雜的功率封裝，后者能夠提供100條以上引線以及專門(mén)設(shè)計(jì)的散熱功能。

半導(dǎo)體封裝的作用是保護(hù)裸片，在系統(tǒng)中提供器件與外部無(wú)源器件之間的電氣連接以及散熱管理。本節(jié)將主要討論半導(dǎo)體封裝在裸片散熱方面的性能。

在引線式封裝中，裸片被安裝在一個(gè)稱為裸片焊盤(pán)的金屬盤(pán)上。這種焊盤(pán)在整個(gè)制造期間支撐裸片，并提供良好的導(dǎo)熱表面。汽車(chē)行業(yè)中的常見(jiàn)半導(dǎo)體封裝類型是裸焊盤(pán)，或者叫做PowerPAD型封裝(圖1)。

裸片焊盤(pán)底部是裸露的，且被直接焊接到PCB上，以提供從裸片到PCB的直接熱量傳遞。主要散熱路徑向下穿過(guò)焊接到電路板的裸焊盤(pán)，這樣熱量可以通過(guò)PCB散發(fā)到周?chē)h(huán)境中。

裸焊盤(pán)型封裝通過(guò)封裝底部傳導(dǎo)約80%的熱量到PCB，剩下20%的熱量從器件引腳和封裝側(cè)邊散發(fā)掉。從封裝頂部散發(fā)的熱量不到1%。

非裸露焊盤(pán)封裝是一種類似的引線式封裝(圖1)。在這種封裝中，塑料完全充塞著裸片焊盤(pán)周?chē)虼藳](méi)有可連至PCB的直接熱量通路。約58%的熱量從引線和封裝側(cè)邊散發(fā)，40%的熱量從封裝底部散發(fā)，頂部散發(fā)的熱量約占2%。

熱量可以通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流或輻射等方式散發(fā)。對(duì)于汽車(chē)半導(dǎo)體封裝來(lái)說(shuō)，主要的散熱方式是通過(guò)傳導(dǎo)至PCB和周?chē)諝獾膶?duì)流。即使存在輻射也只能散發(fā)很少的熱量。

散熱挑戰(zhàn)

正常運(yùn)轉(zhuǎn)、安全和舒適的汽車(chē)系統(tǒng)高度依賴于半導(dǎo)體產(chǎn)品，如今半導(dǎo)體產(chǎn)品在車(chē)身電子、氣囊、恒溫控制、收音機(jī)、方向控制、被動(dòng)門(mén)禁、防盜系統(tǒng)、胎壓監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)中已經(jīng)隨處可見(jiàn)。

盡管在車(chē)用半導(dǎo)體行業(yè)出現(xiàn)了許多新的應(yīng)用，但三個(gè)傳統(tǒng)領(lǐng)域仍保持著獨(dú)立的環(huán)境要求：車(chē)廂內(nèi)部，儀表盤(pán)前圍板和發(fā)動(dòng)機(jī)艙。總的來(lái)說(shuō)，有三大因素繼續(xù)挑戰(zhàn)汽車(chē)環(huán)境：高環(huán)境溫度、大功率和有限的材料散熱屬性。

汽車(chē)環(huán)境和其它環(huán)境下的溫度絕然不同。一般來(lái)說(shuō)，消費(fèi)電子產(chǎn)品的工作溫度在25℃左右，上限約為70℃。另一方面，汽車(chē)乘用車(chē)廂或儀表盤(pán)應(yīng)用中的電子器件將運(yùn)行在高達(dá)85°C的高溫環(huán)境下(參考附表)。

在前圍板應(yīng)用中，電子器件位于發(fā)動(dòng)機(jī)艙和汽車(chē)車(chē)廂之間，器件可能暴露在高達(dá)105℃的環(huán)境溫度下。而發(fā)動(dòng)機(jī)艙應(yīng)用需要工作在高達(dá)125℃的環(huán)境溫度下。

散熱考慮在與安全相關(guān)的系統(tǒng)中特別重要，如動(dòng)力方向盤(pán)、氣囊和防抱死制動(dòng)系統(tǒng)。在制動(dòng)和氣囊應(yīng)用中，功率等級(jí)有可能在短時(shí)間(1ms)內(nèi)高達(dá)100W。

不斷增加的功能要求以及集成的眾多資源推動(dòng)裸片功率不斷提升。一些車(chē)用半導(dǎo)體的裸片溫度在短時(shí)間內(nèi)可以高達(dá)175℃至185℃。這個(gè)溫度對(duì)汽車(chē)器件而言通常是熱關(guān)斷門(mén)限。

隨著更多安全性能的增加，散熱要求也越來(lái)越高。雖然十多年來(lái)氣囊在汽車(chē)中已經(jīng)很常見(jiàn)，但現(xiàn)在有些汽車(chē)的氣囊數(shù)量多達(dá)12個(gè)。在實(shí)際部署中，多個(gè)氣囊要求按順序操作，因此與單個(gè)傳統(tǒng)氣囊相比將產(chǎn)生艱巨得多的散熱設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

對(duì)于材料屬性的散熱挑戰(zhàn)，盡可能降低汽車(chē)組件成本已經(jīng)不是什么秘密。塑料原料正在大量取代金屬模塊和PCB外殼。塑料外殼具有生產(chǎn)成本更低的優(yōu)點(diǎn)，而且重量更輕。但是，與更低成本和更輕重量相對(duì)應(yīng)的是散熱性能降低。

塑料原料具有非常低的熱導(dǎo)率，大約在0.3至1W/mK的范圍內(nèi)，因此它們實(shí)質(zhì)上是熱絕緣體。毫無(wú)疑問(wèn)，改成塑料外殼將妨礙系統(tǒng)的散熱，增加半導(dǎo)體器件的熱負(fù)載。

為何建模？

在汽車(chē)半導(dǎo)體行業(yè)，建模工作主要集中在單個(gè)器件的熱性能和設(shè)計(jì)。通常認(rèn)為小心簡(jiǎn)化可以獲得建模數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)級(jí)簡(jiǎn)化(例如從模型中刪除無(wú)關(guān)的低功耗器件)使用簡(jiǎn)化的而非詳細(xì)的PCB銅布線，或假設(shè)機(jī)箱在固定溫度下散熱，都可以用來(lái)簡(jiǎn)化散熱模型以實(shí)現(xiàn)快速建模。此外，經(jīng)過(guò)這些簡(jiǎn)化仍能精確再現(xiàn)熱阻網(wǎng)絡(luò)。

封裝級(jí)熱建?？梢杂脕?lái)評(píng)估潛在的封裝設(shè)計(jì)變化，而不需要高成本的開(kāi)發(fā)和測(cè)試工作，從而無(wú)需考慮材料構(gòu)造。半導(dǎo)體封裝設(shè)計(jì)可以根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行改變，從而實(shí)現(xiàn)最佳的散熱效果。

采用像PowerPAD這樣的裸焊盤(pán)封裝后，熱量可以迅速?gòu)穆闫l(fā)到PCB。更大的裸片焊盤(pán)，與PCB更好的連接或改善裸片焊盤(pán)設(shè)計(jì)都可以改善器件的散熱性能。

熱建模技術(shù)還能用來(lái)檢查器件中潛在的材料改變帶來(lái)的影響。封裝材料的熱導(dǎo)率變化范圍很大，從低至0.4W/mK(熱絕緣體)到超過(guò)300W/mK(良好熱導(dǎo)體)。使用熱建模技術(shù)有助于平衡產(chǎn)品成本和性能之間的關(guān)系。

建模的驗(yàn)證

對(duì)于關(guān)鍵系統(tǒng)，仔細(xì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析可以確定熱性能和工作溫度。不過(guò)，對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)量非常耗時(shí)，代價(jià)也很高。此時(shí)熱建模技術(shù)就是有助于解決系統(tǒng)散熱需求并滿足操作要求的有力工具。

在半導(dǎo)體行業(yè)，熱建模已經(jīng)成為概念測(cè)試和硅裸片設(shè)計(jì)過(guò)程中的早期組成部分。理想的熱建模流程在制造裸片前幾個(gè)月就開(kāi)始了。IC設(shè)計(jì)工程師和熱分析工程師將評(píng)估器件的裸片版圖和功耗。

接著，熱建模工程師基于上述評(píng)估結(jié)果創(chuàng)建熱模型。一旦熱模型建成，設(shè)計(jì)工程師和建模工程師就會(huì)檢查數(shù)據(jù)并調(diào)整模型，以準(zhǔn)確反映可能的應(yīng)用情景。

強(qiáng)烈推薦進(jìn)行所有有限元分析(FEA)建模驗(yàn)證。TI公司的策略是進(jìn)行相關(guān)性研究，比較熱建模結(jié)果和系統(tǒng)的物理性測(cè)量結(jié)果。

這些相關(guān)性研究可以凸顯多個(gè)潛在出錯(cuò)的領(lǐng)域，包括材料屬性、功率定義和布局簡(jiǎn)化。雖然沒(méi)有模型能夠完美復(fù)制真實(shí)的系統(tǒng)，但必須仔細(xì)斟酌建模過(guò)程中作出的假設(shè)，以確保最精確的系統(tǒng)描述。

在材料屬性方面，經(jīng)公布的數(shù)值通常表明了特定材料的整體熱導(dǎo)率。但在半導(dǎo)體應(yīng)用中經(jīng)常使用薄層材料，而材料表面積增加時(shí)將導(dǎo)致熱導(dǎo)率下降(相對(duì)同樣的體積值)。

特別要注意模型中描述的功耗，因?yàn)樵诠ぷ髌陂g器件的輸入功率隨時(shí)間是不斷變化的。電路板上或系統(tǒng)中其它地方的功耗可能也會(huì)影響裸片表面的真實(shí)功耗。

建模類型

目前有4種主要的熱模型可用于半導(dǎo)體封裝設(shè)計(jì)：系統(tǒng)級(jí)、封裝級(jí)、裸片級(jí)和裸片級(jí)瞬態(tài)分析。在汽車(chē)半導(dǎo)體領(lǐng)域，系統(tǒng)級(jí)熱建模尤其重要，因?yàn)樗苷f(shuō)明一個(gè)特定器件將如何在特定系統(tǒng)中運(yùn)作。

一般來(lái)說(shuō)，汽車(chē)半導(dǎo)體熱建模要把PCB考慮進(jìn)去，因?yàn)镻CB是大部分半導(dǎo)體封裝的主要散熱器。包括銅層和散熱過(guò)孔在內(nèi)的PCB各組成部分應(yīng)加入熱模型，以便準(zhǔn)確地確定熱行為分析。此外，還應(yīng)包含所有獨(dú)特的物理形狀，如嵌入式散熱器、類似螺絲或鉚釘?shù)冉饘龠B接件等。

系統(tǒng)和PCB周?chē)膹?qiáng)制空氣流動(dòng)在系統(tǒng)對(duì)流散熱中也發(fā)揮著重要作用。通常半導(dǎo)體行業(yè)的熱建模對(duì)象是單個(gè)大功率器件。但PCB上的其它功率器件對(duì)系統(tǒng)總體性能也有很大影響。

簡(jiǎn)化這些封裝的輸入同時(shí)仍然保持一定的精度級(jí)別通常要求采用緊湊模型。緊湊模型是復(fù)雜度較低的熱阻網(wǎng)絡(luò)，可以提供這些非關(guān)鍵器件的熱性能的合理近似值。

在更小和引腳數(shù)量更少的器件中，可以用其它方法改善熱性能(圖2)。例如，將多個(gè)封裝引線熔化到器件的裸片焊盤(pán)上可以極大地改善總體結(jié)溫，并且不會(huì)影響器件正常工作。

建模假設(shè)

裸片級(jí)熱分析從對(duì)硅裸片布局的精確描述開(kāi)始，包括裸片上的所有耗電區(qū)域。在簡(jiǎn)單案例中都是假設(shè)功率被均勻地分布在硅片上。

但是，大部分裸片布局在整個(gè)裸片上的功率分布是不均勻的，具體取決于功能。這種不均勻的功率分布對(duì)器件的總體熱性能而言非常關(guān)鍵。針對(duì)需要良好散熱的器件，需要對(duì)裸片上的功率結(jié)構(gòu)分布倍加關(guān)注。

在一些熱分析軟件程序中，裸片布局可以用逗號(hào)分隔的變量(.csv)輸入格式(圖3)輸入。這樣可以在裸片布局和熱建模軟件之間輕松傳遞信息。根據(jù)器件的復(fù)雜度和功率等級(jí)不同，裸片上的這些耗電區(qū)域可能從兩三個(gè)到幾百個(gè)不等。

熱建模工程師應(yīng)該與IC設(shè)計(jì)工程師緊密合作，以便確定在熱模型中需要包含的耗電區(qū)域。通常，一些功耗非常低的小區(qū)域可組成較大的區(qū)域，從而簡(jiǎn)化熱模型，同時(shí)仍能代表器件的總體功耗。同樣，在熱模型中，后臺(tái)功耗或靜態(tài)功耗可用于整個(gè)裸片表面，以表示非關(guān)鍵低功耗裸片結(jié)構(gòu)中的大部分功耗。

一些器件功能經(jīng)常要求裸片上的小塊區(qū)域提供較大的功率。這些大功率區(qū)域可能導(dǎo)致局部熱點(diǎn)，而這些熱點(diǎn)區(qū)域的溫度可能比周邊的硅片高出許多。

熱建模有助于突出熱問(wèn)題，例如中等功率硅產(chǎn)品簇的位置非?？拷赡軐?dǎo)致殘留熱量，并可能對(duì)待評(píng)估裸片造成熱應(yīng)力。

模型也有助于裸片上嵌入式熱傳感器的放置或校準(zhǔn)。理想情況下，溫度傳感器應(yīng)放在裸片上功耗最高區(qū)域的中心。但由于受布局的約束，經(jīng)常無(wú)法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)放在遠(yuǎn)離高耗電區(qū)中心的位置時(shí)，溫度傳感器又將無(wú)法讀取到準(zhǔn)確的器件最高溫度。

熱模型可以用來(lái)確定整個(gè)裸片上的熱梯度，包括傳感器位置的熱梯度。然后對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)以得出最熱區(qū)域和傳感器位置之間的溫度差值。

上述模型都假設(shè)采用恒定的直流電源輸入。但在實(shí)際運(yùn)作中，器件功率是隨時(shí)間和可配置能力而變化的。如果僅針對(duì)最壞情況功耗設(shè)計(jì)熱系統(tǒng)，熱負(fù)載可能變得無(wú)法使用。

評(píng)估瞬態(tài)熱響應(yīng)的方法有很多種。最簡(jiǎn)單的方法是假設(shè)裸片上使用直流電源，然后跟蹤隨時(shí)間變化的器件熱響應(yīng)。另一種方法是輸入一個(gè)變化的電源，然后采用熱分析軟件確定最終的穩(wěn)態(tài)溫度。

第三種也是最有用的瞬態(tài)建模是在多個(gè)裸片位置(圖4)觀察變化電源的“隨時(shí)間響應(yīng)”。利用這種方法可以捕捉到正常情況下也許不明顯的器件之間的交互。瞬態(tài)建模也有助于觀察某些有別于正常器件功能的裸片操作的整個(gè)過(guò)程，如器件的上電或斷電模式。

在許多汽車(chē)系統(tǒng)中，如剎車(chē)致動(dòng)或氣囊打開(kāi)，器件功率在其壽命期的大部分時(shí)間內(nèi)都維持在較低水平。在氣囊系統(tǒng)啟動(dòng)期間，電能脈沖在短時(shí)間內(nèi)可以達(dá)到很高的值。

性能改善

設(shè)計(jì)優(yōu)化和更低的整體溫度是汽車(chē)半導(dǎo)體行業(yè)的熱建模目標(biāo)。降低工作中的裸片結(jié)溫可以提高器件可靠性。

對(duì)系統(tǒng)、電路板、封裝或裸片性能的微小改善可能會(huì)顯著提升最終的溫度性能。但器件和系統(tǒng)限制可能扼殺其中一些建議。

提升熱性能的方法包括空氣流動(dòng)、熱傳導(dǎo)路徑或外部散熱器。另一種方法是提供更多的金屬面積用于散熱，如增加外部散熱器、至底座的金屬連接、PCB采用更多層或更高密度的銅層、導(dǎo)熱的銅板和散熱過(guò)孔等。

位于器件裸焊盤(pán)下方的散熱過(guò)孔有助于快速散發(fā)器件熱量，并加快向電路板其它部分的散熱速度。將半導(dǎo)體器件封裝設(shè)計(jì)為能快速將熱量從裸片散發(fā)到更大的系統(tǒng)中去。

利用更高熱導(dǎo)率材料，像PowerPAD那樣直接連接PCB，熔化到裸片焊盤(pán)的引線或安裝外部散熱器等都有助于改善半導(dǎo)體封裝的散熱性能。半導(dǎo)體裸片本身就允許用多種方式來(lái)盡可能減小總體溫度。當(dāng)然，降低溫度的最佳途徑還是降低功耗。

對(duì)于硅電路設(shè)計(jì)和布局來(lái)說(shuō)，良好的散熱方法包括更大的散熱面積、使耗電區(qū)遠(yuǎn)離裸片邊緣、使用長(zhǎng)且窄的耗電區(qū)替代正方形區(qū)域以及在高耗電區(qū)提供足夠的空間等。硅是一種良好的熱導(dǎo)體，熱導(dǎo)率約為117W/mK。在耗電區(qū)周?chē)褂米畲髷?shù)量的硅可以提高器件的散熱能力。

對(duì)于裸片上的瞬態(tài)功耗，交錯(cuò)電能脈沖以降低瞬態(tài)功率將可以降低總體溫度。這樣可以在電能脈沖之間形成較長(zhǎng)的延時(shí)以便熱量散發(fā)，或者在裸片上的多個(gè)區(qū)域分擔(dān)高功率事件。這些瞬態(tài)變化允許熱系統(tǒng)在被施加更多熱量前得以恢復(fù)。通過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)裸片、封裝、PCB和系統(tǒng)，器件的熱性能可以得到顯著提高。