熱建模設(shè)計應(yīng)對汽車電子散熱三大挑戰(zhàn)

散熱為什么很重要？對于大多數(shù)半導(dǎo)體應(yīng)用來說，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，金屬擴散越來越厲害，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)境下所處的時間。在很短的時間內(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)成為汽車行業(yè)的一種重要工具。汽車安全行業(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)而影響汽車安全性。但通過在設(shè)計周期早期優(yōu)化裸片布局和電能脈沖時序，設(shè)計工程師可以用更少的硅測試裝置提供最優(yōu)化的設(shè)計，從而進(jìn)一步縮短開發(fā)周期。

半導(dǎo)體熱封裝

汽車電子行業(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設(shè)計的散熱功能。

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，裸片被安裝在一個稱為裸片焊盤的金屬盤上。這種焊盤在整個制造期間支撐裸片，并提供良好的導(dǎo)熱表面。汽車行業(yè)中的常見半導(dǎo)體封裝類型是裸焊盤，或者叫做PowerPAD型封裝(圖1)。

裸片焊盤底部是裸露的，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焊接到電路板的裸焊盤，這樣熱量可以通過PCB散發(fā)到周圍環(huán)境中。

裸焊盤型封裝通過封裝底部傳導(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周圍，因此沒有可連至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%。

熱量可以通過傳導(dǎo)、對流或輻射等方式散發(fā)。對于汽車半導(dǎo)體封裝來說，主要的散熱方式是通過傳導(dǎo)至PCB和周圍空氣的對流。即使存在輻射也只能散發(fā)很少的熱量。

散熱挑戰(zhàn)

正常運轉(zhuǎn)、安全和舒適的汽車系統(tǒng)高度依賴于半導(dǎo)體產(chǎn)品，如今半導(dǎo)體產(chǎn)品在車身電子、氣囊、恒溫控制、收音機、方向控制、被動門禁、防盜系統(tǒng)、胎壓監(jiān)測等系統(tǒng)中已經(jīng)隨處可見。

盡管在車用半導(dǎo)體行業(yè)出現(xiàn)了許多新的應(yīng)用，但三個傳統(tǒng)領(lǐng)域仍保持著獨立的環(huán)境要求：車廂內(nèi)部，儀表盤前圍板和發(fā)動機艙。總的來說，有三大因素繼續(xù)挑戰(zhàn)汽車環(huán)境：高環(huán)境溫度、大功率和有限的材料散熱屬性。

汽車環(huán)境和其它環(huán)境下的溫度絕然不同。一般來說，消費電子產(chǎn)品的工作溫度在25℃左右，上限約為70℃。另一方面，汽車乘用車廂或儀表盤應(yīng)用中的電子器件將運行在高達(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)動機艙和汽車車廂之間，器件可能暴露在高達(dá)105℃的環(huán)境溫度下。而發(fā)動機艙應(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，如動力方向盤、氣囊和防抱死制動系統(tǒng)。在制動和氣囊應(yīng)用中，功率等級有可能在短時間(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裸片功率不斷提升。一些車用半導(dǎo)體的裸片溫度在短時間內(nèi)可以高達(dá)175℃至185℃。這個溫度對汽車器件而言通常是熱關(guān)斷門限。

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

對于材料屬性的散熱挑戰(zhàn)，盡可能降低汽車組件成本已經(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，而且重量更輕。但是，與更低成本和更輕重量相對應(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)，因此它們實質(zhì)上是熱絕緣體。毫無疑問，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？

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

系統(tǒng)級簡化(例如從模型中刪除無關(guān)的低功耗器件)使用簡化的而非詳細(xì)的PCB銅布線，或假設(shè)機箱在固定溫度下散熱，都可以用來簡化散熱模型以實現(xiàn)快速建模。此外，經(jīng)過這些簡化仍能精確再現(xiàn)熱阻網(wǎng)絡(luò)。

封裝級熱建模可以用來評估潛在的封裝設(shè)計變化，而不需要高成本的開發(fā)和測試工作，從而無需考慮材料構(gòu)造。半導(dǎo)體封裝設(shè)計可以根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行改變，從而實現(xiàn)最佳的散熱效果。

采用像PowerPAD這樣的裸焊盤封裝后，熱量可以迅速從裸片散發(fā)到PCB。更大的裸片焊盤，與PCB更好的連接或改善裸片焊盤設(shè)計都可以改善器件的散熱性能。

熱建模技術(shù)還能用來檢查器件中潛在的材料改變帶來的影響。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。

建模的驗證

對于關(guān)鍵系統(tǒng)，仔細(xì)進(jìn)行實驗室分析可以確定熱性能和工作溫度。不過，對這些系統(tǒng)進(jìn)行實驗室測量非常耗時，代價也很高。此時熱建模技術(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)成為概念測試和硅裸片設(shè)計過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月就開始了。IC設(shè)計工程師和熱分析工程師將評估器件的裸片版圖和功耗。

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

強烈推薦進(jìn)行所有有限元分析(FEA)建模驗證。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)的物理性測量結(jié)果。

這些相關(guān)性研究可以凸顯多個潛在出錯的領(lǐng)域，包括材料屬性、功率定義和布局簡化。雖然沒有模型能夠完美復(fù)制真實的系統(tǒng)，但必須仔細(xì)斟酌建模過程中作出的假設(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將導(dǎo)致熱導(dǎo)率下降(相對同樣的體積值)。

特別要注意模型中描述的功耗，因為在工作期間器件的輸入功率隨時間是不斷變化的。電路板上或系統(tǒng)中其它地方的功耗可能也會影響裸片表面的真實功耗。

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：系統(tǒng)級、封裝級、裸片級和裸片級瞬態(tài)分析。在汽車半導(dǎo)體領(lǐng)域，系統(tǒng)級熱建模尤其重要，因為它能說明一個特定器件將如何在特定系統(tǒng)中運作。

一般來說，汽車半導(dǎo)體熱建模要把PCB考慮進(jìn)去，因為PCB是大部分半導(dǎo)體封裝的主要散熱器。包括銅層和散熱過孔在內(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周圍的強制空氣流動在系統(tǒng)對流散熱中也發(fā)揮著重要作用。通常半導(dǎo)體行業(yè)的熱建模對象是單個大功率器件。但PCB上的其它功率器件對系統(tǒng)總體性能也有很大影響。

簡化這些封裝的輸入同時仍然保持一定的精度級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，將多個封裝引線熔化到器件的裸片焊盤上可以極大地改善總體結(jié)溫，并且不會影響器件正常工作。

建模假設(shè)

裸片級熱分析從對硅裸片布局的精確描述開始，包括裸片上的所有耗電區(qū)域。在簡單案例中都是假設(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器件的總體熱性能而言非常關(guān)鍵。針對需要良好散熱的器件，需要對裸片上的功率結(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)雜度和功率等級不同，裸片上的這些耗電區(qū)域可能從兩三個到幾百個不等。

熱建模工程師應(yīng)該與IC設(shè)計工程師緊密合作，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，從而簡化熱模型，同時仍能代表器件的總體功耗。同樣，在熱模型中，后臺功耗或靜態(tài)功耗可用于整個裸片表面，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，而這些熱點區(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，并可能對待評估裸片造成熱應(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)常無法實現(xiàn)。當(dāng)放在遠(yuǎn)離高耗電區(qū)中心的位置時，溫度傳感器又將無法讀取到準(zhǔn)確的器件最高溫度。

熱模型可以用來確定整個裸片上的熱梯度，包括傳感器位置的熱梯度。然后對傳感器進(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。但在實際運作中，器件功率是隨時間和可配置能力而變化的。如果僅針對最壞情況功耗設(shè)計熱系統(tǒng)，熱負(fù)載可能變得無法使用。

評估瞬態(tài)熱響應(yīng)的方法有很多種。最簡單的方法是假設(shè)裸片上使用直流電源，然后跟蹤隨時間變化的器件熱響應(yīng)。另一種方法是輸入一個變化的電源，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)建模是在多個裸片位置(圖4)觀察變化電源的“隨時間響應(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過程，如器件的上電或斷電模式。

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

性能改善

設(shè)計優(yōu)化和更低的整體溫度是汽車半導(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。

對系統(tǒng)、電路板、封裝或裸片性能的微小改善可能會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、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)熱的銅板和散熱過孔等。

位于器件裸焊盤下方的散熱過孔有助于快速散發(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。

對于硅電路設(shè)計和布局來說，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)周圍使用最大數(shù)量的硅可以提高器件的散熱能力。

對于裸片上的瞬態(tài)功耗，交錯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的延時以便熱量散發(fā)，或者在裸片上的多個區(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)。通過仔細(xì)設(shè)計裸片、封裝、PCB和系統(tǒng)，器件的熱性能可以得到顯著提高。