熱建模設計應對汽車(chē)電子散熱三大挑戰

散熱為什么很重要？對于大多數半導體應用來(lái)說(shuō)，快速轉移裸片熱量并使熱量散發(fā)到更大的系統中去可以防止硅片上產(chǎn)生熱量高度集中的區域。

硅裸片的典型工作溫度從105℃到150℃，取決于具體的應用。在較高溫度時(shí)，金屬擴散越來(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，硅裸片可以承受的溫度遠高于經(jīng)公布的可接受值。但是，隨著(zhù)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量，這迫使半導體供應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)在設計周期早期優(yōu)化裸片布局和電能脈沖時(shí)序，設計工程師可以用更少的硅測試裝置提供最優(yōu)化的設計，從而進(jìn)一步縮短開(kāi)發(fā)周期。

半導體熱封裝

汽車(chē)電子行業(yè)使用多種不同的半導體封裝類(lèi)型，從小型單功能晶體管到復雜的功率封裝，后者能夠提供100條以上引線(xiàn)以及專(zhuān)門(mén)設計的散熱功能。

半導體封裝的作用是保護裸片，在系統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。本節將主要討論半導體封裝在裸片散熱方面的性能。

在引線(xiàn)式封裝中，裸片被安裝在一個(gè)稱(chēng)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，并提供良好的導熱表面。汽車(chē)行業(yè)中的常見(jiàn)半導體封裝類(lèi)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)封裝底部傳導約80%的熱量到PCB，剩下20%的熱量從器件引腳和封裝側邊散發(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(lèi)似的引線(xiàn)式封裝(圖1)。在這種封裝中，塑料完全充塞著(zhù)裸片焊盤(pán)周?chē)?，因此沒(méi)有可連至PCB的直接熱量通路。約58%的熱量從引線(xiàn)和封裝側邊散發(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、對流或輻射等方式散發(fā)。對于汽車(chē)半導體封裝來(lái)說(shuō)，主要的散熱方式是通過(guò)傳導至PCB和周?chē)諝獾膶α?。即使存在輻射也只能散發(fā)很少的熱量。

散熱挑戰

正常運轉、安全和舒適的汽車(chē)系統高度依賴(lài)于半導體產(chǎn)品，如今半導體產(chǎn)品在車(chē)身電子、氣囊、恒溫控制、收音機、方向控制、被動(dòng)門(mén)禁、防盜系統、胎壓監測等系統中已經(jīng)隨處可見(jiàn)。

盡管在車(chē)用半導體行業(yè)出現了許多新的應用，但三個(gè)傳統領(lǐng)域仍保持著(zhù)獨立的環(huán)境要求：車(chē)廂內部，儀表盤(pán)前圍板和發(fā)動(dòng)機艙?？偟膩?lái)說(shuō)，有三大因素繼續挑戰汽車(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)應用中的電子器件將運行在高達85°C的高溫環(huán)境下(參考附表)。

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

散熱考慮在與安全相關(guān)的系統中特別重要，如動(dòng)力方向盤(pán)、氣囊和防抱死制動(dòng)系統。在制動(dòng)和氣囊應用中，功率等級有可能在短時(shí)間(1ms)內高達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)用半導體的裸片溫度在短時(shí)間內可以高達175℃至185℃。這個(gè)溫度對汽車(chē)器件而言通常是熱關(guān)斷門(mén)限。

隨著(zhù)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)，但現在有些汽車(chē)的氣囊數量多達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)傳統氣囊相比將產(chǎn)生艱巨得多的散熱設計挑戰。

對于材料屬性的散熱挑戰，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應的是散熱性能降低。

塑料原料具有非常低的熱導率，大約在0.3至1W/mK的范圍內，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的散熱，增加半導體器件的熱負載。

為何建模？

在汽車(chē)半導體行業(yè)，建模工作主要集中在單個(gè)器件的熱性能和設計。通常認為小心簡(jiǎn)化可以獲得建模數據。

系統級簡(jiǎn)化(例如從模型中刪除無(wú)關(guān)的低功耗器件)使用簡(jiǎn)化的而非詳細的PCB銅布線(xiàn)，或假設機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)現快速建模。此外，經(jīng)過(guò)這些簡(jiǎn)化仍能精確再現熱阻網(wǎng)絡(luò )。

封裝級熱建?？梢杂脕?lái)評估潛在的封裝設計變化，而不需要高成本的開(kāi)發(fā)和測試工作，從而無(wú)需考慮材料構造。半導體封裝設計可以根據應用需求進(jìn)行改變，從而實(shí)現最佳的散熱效果。

采用像PowerPAD這樣的裸焊盤(pán)封裝后，熱量可以迅速從裸片散發(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)設計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，仔細進(jìn)行實(shí)驗室分析可以確定熱性能和工作溫度。不過(guò)，對這些系統進(jìn)行實(shí)驗室測量非常耗時(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散熱需求并滿(mǎn)足操作要求的有力工具。

在半導體行業(yè)，熱建模已經(jīng)成為概念測試和硅裸片設計過(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(zhù)，熱建模工程師基于上述評估結果創(chuàng )建熱模型。一旦熱模型建成，設計工程師和建模工程師就會(huì )檢查數據并調整模型，以準確反映可能的應用情景。

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，比較熱建模結果和系統的物理性測量結果。

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

在材料屬性方面，經(jīng)公布的數值通常表明了特定材料的整體熱導率。但在半導體應用中經(jīng)常使用薄層材料，而材料表面積增加時(shí)將導致熱導率下降(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(shí)間是不斷變化的。電路板上或系統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(lèi)型

目前有4種主要的熱模型可用于半導體封裝設計：系統級、封裝級、裸片級和裸片級瞬態(tài)分析。在汽車(chē)半導體領(lǐng)域，系統級熱建模尤其重要，因為它能說(shuō)明一個(gè)特定器件將如何在特定系統中運作。

一般來(lái)說(shuō)，汽車(chē)半導體熱建模要把PCB考慮進(jìn)去，因為PCB是大部分半導體封裝的主要散熱器。包括銅層和散熱過(guò)孔在內的PCB各組成部分應加入熱模型，以便準確地確定熱行為分析。此外，還應包含所有獨特的物理形狀，如嵌入式散熱器、類(lèi)似螺絲或鉚釘等金屬連接件等。

系統和PCB周?chē)膹娭瓶諝饬鲃?dòng)在系統對流散熱中也發(fā)揮著(zhù)重要作用。通常半導體行業(yè)的熱建模對象是單個(gè)大功率器件。但PCB上的其它功率器件對系統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別通常要求采用緊湊模型。緊湊模型是復雜度較低的熱阻網(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(xiàn)熔化到器件的裸片焊盤(pán)上可以極大地改善總體結溫，并且不會(huì )影響器件正常工作。

建模假設

裸片級熱分析從對硅裸片布局的精確描述開(kāi)始，包括裸片上的所有耗電區域。在簡(jiǎn)單案例中都是假設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構分布倍加關(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。根據器件的復雜度和功率等級不同，裸片上的這些耗電區域可能從兩三個(gè)到幾百個(gè)不等。

熱建模工程師應該與IC設計工程師緊密合作，以便確定在熱模型中需要包含的耗電區域。通常，一些功耗非常低的小區域可組成較大的區域，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)鍵低功耗裸片結構中的大部分功耗。

一些器件功能經(jīng)常要求裸片上的小塊區域提供較大的功率。這些大功率區域可能導致局部熱點(diǎn)，而這些熱點(diǎn)區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е職埩魺崃?，并可能對待評估裸片造成熱應力。

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

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。然后對傳感器進(jìn)行校準以得出最熱區域和傳感器位置之間的溫度差值。

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

評估瞬態(tài)熱響應的方法有很多種。最簡(jiǎn)單的方法是假設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。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(guān)察變化電源的“隨時(shí)間響應”。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(guān)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)間內都維持在較低水平。在氣囊系統啟動(dòng)期間，電能脈沖在短時(shí)間內可以達到很高的值。

性能改善

設計優(yōu)化和更低的整體溫度是汽車(chē)半導體行業(yè)的熱建模目標。降低工作中的裸片結溫可以提高器件可靠性。

對系統、電路板、封裝或裸片性能的微小改善可能會(huì )顯著(zhù)提升最終的溫度性能。但器件和系統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。將半導體器件封裝設計為能快速將熱量從裸片散發(fā)到更大的系統中去。

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

對于硅電路設計和布局來(lái)說(shuō)，良好的散熱方法包括更大的散熱面積、使耗電區遠離裸片邊緣、使用長(cháng)且窄的耗電區替代正方形區域以及在高耗電區提供足夠的空間等。硅是一種良好的熱導體，熱導率約為117W/mK。在耗電區周?chē)褂米畲髷盗康墓杩梢蕴岣咂骷纳崮芰Α?/p>

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(cháng)的延時(shí)以便熱量散發(fā)，或者在裸片上的多個(gè)區域分擔高功率事件。這些瞬態(tài)變化允許熱系統在被施加更多熱量前得以恢復。通過(guò)仔細設計裸片、封裝、PCB和系統，器件的熱性能可以得到顯著(zhù)提高。