SmartFET的熱響應，一文輕松get√

本系列文章將介紹安森美(onsemi)高邊SmartFET的結構和設計理念，可作為了解該器件在特定應用中如何工作的指南。范圍僅限于具有模擬電流檢測輸出的SmartFET。今天將為大家介紹SmartFET的熱響應，將簡(jiǎn)要解讀產(chǎn)品數據表中公布的熱數據和曲線(xiàn)。

了解熱網(wǎng)絡(luò )

對于外部條件可能出現極端變化的汽車(chē)應用而言，了解并準確估計器件的熱響應是一個(gè)長(cháng)期存在的挑戰。以瞬態(tài)或連續溫度波動(dòng)形式表現的超過(guò)器件熱容量的熱過(guò)應力，是該領(lǐng)域中最常遇到的故障模式之一，尤其是功率器件，在其壽命期間經(jīng)常觀(guān)察到這種瞬態(tài)。此外，隨著(zhù)硅特征幾何形狀、芯片和封裝尺寸不斷縮小，產(chǎn)生“熱斷裂”的可能性越來(lái)越大。這需要全面了解器件的熱響應和外部因素的影響，例如器件安裝情況、應用板、外圍熱源/熱匯等。從設計角度看，布局、結構和保護特性（包含在器件中）應考慮對目標應用中熱性能的影響。本部分描述上述內部和外部因素在確定和/或實(shí)現系統所需熱行為方面的作用。此外，本部分還會(huì )解釋量化熱性能的相關(guān)指標以及相應的示例性數據表規格。最后將討論限流和熱關(guān)斷（絕對和差分）等保護特性的設計理念，以及由此帶來(lái)的熱性能改進(jìn)。

熱阻——物理解釋

在半導體行業(yè)中，瞬態(tài)和穩態(tài)熱阻參數常被用來(lái)量化器件的熱性能。此參數通常在產(chǎn)品數據表中的某一組條件下指定。而在數學(xué)上，此參數被描述為 °C/W，即施加于器件的功率所造成的溫度變化；該物理表示類(lèi)似于其電學(xué)上的對應物——通過(guò)產(chǎn)生熱勢（類(lèi)似于電壓）來(lái)阻礙/抵抗熱流（類(lèi)似于電流）的量。圖69描繪了逐層結構，即應用中的熱勢分割器階梯。

圖69：應用中的熱阻物理階梯

在解釋上面的分層結構之前，假設功率脈沖被施加到器件上。在這種情況下，器件和“周?chē)h(huán)境”的溫度將升高，熱量將開(kāi)始以熱通量的形式流動(dòng)。一旦電源關(guān)閉，溫度便開(kāi)始下降，最終達到穩態(tài)或平衡。

現在，假設通過(guò)器件的電流密度均勻且沒(méi)有表面缺陷，那么器件的結將觀(guān)察到最大溫度擺幅。由于結被限制在相當淺的深度，因此在近表面區域可觀(guān)察到最高溫度。在電流密度不均勻的情況下，近表面區域的一部分會(huì )導通更多電流，從而產(chǎn)生熱點(diǎn)（可能會(huì )不可逆地損壞芯片），這使得我們難以模擬平均結溫。熱通量路徑中的下一層統稱(chēng)為“硅”，包括基板、外延層和任何植入物（不在結附近）。芯片的厚度對實(shí)現所需的熱性能起著(zhù)關(guān)鍵作用，尤其是在短時(shí)間的功率事件中（這將在后面討論）。芯片越厚，熱量流出器件所需的時(shí)間就越長(cháng)，熱通量遇到的熱阻就越大。這就需要權衡參數，因為需要較大的外延厚度來(lái)支持所需的擊穿電壓并確保晶圓的機械穩定性（尤其是對于大直徑晶圓）。此外，基板的材料、有無(wú)體積缺陷也會(huì )影響熱量從器件流出。例如，相比于硅基板，在絕緣硅片基板上實(shí)現的器件具有更低的漏電流，閂鎖可能性更小，但熱阻更高。另一方面，SiC（碳化硅）之類(lèi)的材料具有比 Si 更高的熱導率。因此，決定基板的材料和物理特性時(shí)，應該考慮最終器件的期望熱性能。

在基板之后，階梯中的下一層是背面金屬，接著(zhù)是焊料。安森美高邊 SmartFET 系列中的所有產(chǎn)品都有背面漏極觸點(diǎn)，以通過(guò)將電流密度分布在整個(gè)基板接觸區域來(lái)管理高功率需求。金屬的選擇也決定了熱阻。圖69所示的結構假設漏極端子有一個(gè)背面凸耳或“裸露焊盤(pán)”連接（根據器件和技術(shù)的不同，它可能存在也可能不存在）。這通常是利用焊料作為凸耳的導電芯片連接來(lái)實(shí)現的。焊料層的厚度應均勻，并與漏極觸點(diǎn)共形。焊料中的空隙是已知的會(huì )導致高瞬態(tài)熱阻的故障模式。在源極側，源極觸點(diǎn)的功率金屬化和焊線(xiàn)組決定并限制了器件的熱性能。在凸耳層（包括引線(xiàn)框架、模塑料和封裝）之前，假設熱流模型為一維（這是合理的），熱流垂直流動(dòng)。這一點(diǎn)之前的熱阻統稱(chēng)為θJunction-Case，或稱(chēng)為θJunction?Pin（如果沒(méi)有背面裸露焊盤(pán)），或稱(chēng)為θJunction–Soldering Point。一旦熱量開(kāi)始流出封裝，則還需要考慮所關(guān)注器件附近的任何其他熱源傳入的橫向熱通量，該模型可能會(huì )變成三維熱流網(wǎng)絡(luò )，這通常更難分析和估計。然而，這一假設并不總是適用于多通道器件，因為相鄰通道可能會(huì )導通功率并將熱量橫向散發(fā)到芯片中，從而使分析變得復雜。封裝層之后，安裝和應用條件決定熱阻。相關(guān)因素包括焊料量、應用PCB上的銅散熱器面積、走線(xiàn)的長(cháng)度和寬度、PCB中的層數、用于熱導通的內部平面、應用PCB和ECU外殼之間使用的環(huán)氧樹(shù)脂（如有）的特性等。了解數據表曲線(xiàn)部分討論了其中一些因素對系統熱阻的影響。將所有這些階梯的電阻貢獻相加，即得到應用的結至環(huán)境總熱阻。

上面討論的階梯結構內的熱流范圍取決于脈沖時(shí)序和占空比。根據經(jīng)驗和仿真結果，估計對于最長(cháng)數百微秒的單脈沖功率事件，芯片有源面積、技術(shù)和物理特性決定了熱阻，外部應用環(huán)境對短脈沖持續時(shí)間內的熱響應的貢獻非常小。隨著(zhù)（單）脈沖周期延長(cháng)，引線(xiàn)框架、封裝、模塑料等開(kāi)始對熱性能產(chǎn)生影響。對于幾毫秒的脈沖周期，這種影響通常很明顯。對于長(cháng)達幾秒鐘的較長(cháng)脈沖周期，應用條件（如上段所述）對熱阻的影響更大。當系統在長(cháng)脈沖周期（通常超過(guò)100秒）內達到平衡時(shí)，器件本身對穩態(tài)熱阻的貢獻非常小，熱性能僅取決于測試條件。應注意的是，這些時(shí)間周期只是估計值，而且假設所施加的脈沖周期和功率水平完全在針對器件定義的邊界條件內，并且不會(huì )干擾針對保護電路定義的閾值，例如熱關(guān)斷。

重復功率脈沖事件情況下的熱阻取決于占空比。根據占空比的不同，功率脈沖中積累的熱量可能會(huì )也可能不會(huì )“結轉”到后續脈沖，這會(huì )使分析更加復雜。此外，電功率波和隨后的熱波之間有一個(gè)時(shí)間滯后，這點(diǎn)在重復脈沖事件的熱分析過(guò)程中必須考慮。參見(jiàn)下面示例性器件上的假設功率曲線(xiàn)對應的仿真熱波。

圖70：任意功率曲線(xiàn)的熱波滯后的仿真

改善瞬態(tài)熱性能

如上一部分所述，相對較短時(shí)間（通常限于幾毫秒）內的瞬態(tài)熱阻更多地取決于器件，而不是應用條件。這里的“器件”包括來(lái)自芯片和封裝的貢獻。決定芯片的幾何和物理特性的主要考慮是為了優(yōu)化性能參數，如導通損耗和擊穿電壓，因此芯片本身幾乎沒(méi)有任何改進(jìn)的余地來(lái)提高熱能力。另一方面，封裝改進(jìn)相對更站得住腳，與單脈沖和重復脈沖改進(jìn)相比，它能顯著(zhù)改善瞬態(tài)熱性能。

某些安森美高邊SmartFET（取決于技術(shù)和應用要求）集成了一個(gè)用于漏極端子的裸露焊盤(pán)或耳片連接，以改善散熱。圖 71 顯示了流經(jīng)裸露焊盤(pán)的熱流。與尺寸相似的、漏極連接使用引腳分配或引腳組合（通過(guò)焊線(xiàn)焊接到背面漏極）的器件相比，裸露焊盤(pán)連接提供更好的瞬態(tài)熱性能。

圖71：漏極端子有裸露焊盤(pán)情況下的熱流

有了裸露焊盤(pán)，應用 PCB 上的焊料和散熱器面積也會(huì )增加，從而實(shí)現額外的散熱，幫助改善更長(cháng)脈沖持續時(shí)間（>1秒）情況下的散熱。

除了漏極端子之外，功率流路徑中的另一個(gè)節點(diǎn)是源極端子。源極觸點(diǎn)、頂部功率金屬和引線(xiàn)框架的外合 (bond-out) 都會(huì )影響瞬態(tài)熱性能，從而決定器件的最大功率處理能力。大部分功耗發(fā)生在結深較淺的地方，因此必須考慮源極頂部金屬的熱導率和厚度，尤其是在設計高功率密度器件時(shí)。一些高功率安森美SmartFET采用銅頂部金屬代替傳統的鋁合金，以改善熱阻。如果器件的RDS(ON)極低（如NCV84004A、NCV84006A等），與“后端技術(shù)”（包括焊線(xiàn)）相關(guān)的間接電損耗往往會(huì )限制器件的參數性能。對于此類(lèi)器件，“銅夾片”形式的焊接替代方案可提供出色的電氣和熱性能。銅夾片覆蓋功率 FET 的整個(gè)有源區域，并瞬間將熱量從硅片傳遞到引線(xiàn)框架，從而起到頂部散熱器的作用。

雖然對低RDS(ON)的高功率器件有利，但在高功耗的情況下，銅夾片布局和放置對于芯片的穩定性而言是一個(gè)重大問(wèn)題。銅夾片邊緣周?chē)娜魏挝幢┞秴^域都可能產(chǎn)生局部熱點(diǎn)，成為熱失控的場(chǎng)所。對于控制電路位于控制邏輯旁邊、饋通信號布線(xiàn)的空間狹窄的單片器件，解決這一問(wèn)題尤為重要。布局一個(gè)銅夾片并保持其在整個(gè)FET區域上的一致性通常是很有挑戰性的。在這種情況下，應探索改善熱性能的其他途徑，包括但不限于改變頂部金屬疊層的組成和厚度、增加焊線(xiàn)的數量和/或厚度。

此外，對于功率需求較低的器件，由于可用于焊接的硅面積較小，銅夾片放置還面臨經(jīng)濟和技術(shù)限制。這些器件采用焊線(xiàn)將漏極和源極連接到引線(xiàn)框架。通過(guò)采用多條焊線(xiàn)，以及（在某些情況下）為每條這樣的焊線(xiàn)使用多次縫合，可以增強熱性能。還應用了其他封裝增強方法，例如：改善模塑料化學(xué)特性，以及優(yōu)化焊接參數以避免產(chǎn)生“熱破裂”。

總之，焊接類(lèi)型和頂部金屬疊層取決于可制造性的難易程度和特定器件所需的電熱性能。

數據表參數和規格

熱阻——物理解釋部分說(shuō)明了熱阻的物理解釋。此解釋盡管對于了解熱網(wǎng)絡(luò )是必不可少的，但可能無(wú)法進(jìn)行建模、仿真以及在產(chǎn)品數據表中從數學(xué)上加以規定，從而量化和比較器件的熱性能。

Foster和Cauer網(wǎng)絡(luò )

出于數據表的目的，對于給定的芯片和封裝，瞬態(tài)和穩態(tài)熱測量是在實(shí)驗室設置條件下的受控環(huán)境中進(jìn)行的，熱阻是通過(guò)記錄已知功率脈沖引起的溫度變化來(lái)測量的。這種溫度變化通常通過(guò)分析預校準片內溫度計的參數變化——例如功率 FET 的體二極管的正向壓降——來(lái)測量。該溫度計在空間上應該靠近結；在某些情況下，它是專(zhuān)門(mén)制造的，用來(lái)模擬熱剖面。在固定溫度時(shí)，熱接地（對于結至環(huán)境測量，其為環(huán)境；對于結至外殼/結至引腳測量，其為外殼/引腳）通過(guò)強制對流和散熱保持穩定（以快速消散系統接地的熱量）。此外，利用 SPICE、ANSYS 等可用建模工具對器件進(jìn)行熱仿真。完成測量并繪制圖形后，建立一個(gè)數學(xué)R-C仿真模型來(lái)擬合該測量曲線(xiàn)。圖 72 顯示了仿真的Foster R-C網(wǎng)絡(luò )。

圖72：Foster R-C網(wǎng)絡(luò )模型

R和C的連接使得階梯中的每個(gè)“梯級”具有唯一的時(shí)間常數，其中：

（公式18）

每個(gè)梯級的貢獻與其時(shí)間常數成反比；隨著(zhù)系統向穩態(tài)發(fā)展，時(shí)間常數越長(cháng)的梯級貢獻越大。盡管如此，但Foster網(wǎng)絡(luò )中的電阻和相應的時(shí)間常數沒(méi)有物理意義，即它們與熱阻——物理解釋部分中描述的物理梯形結構不相關(guān)。此外，階梯中梯級的順序和數量也是任意的，并且可以改變。換言之，Foster階梯是擬合實(shí)測熱阻曲線(xiàn)的純數學(xué)模型。梯級數越多，精度越高，相對于實(shí)際曲線(xiàn)的誤差系數越小。使用Foster模型的優(yōu)點(diǎn)是易于仿真。一旦一個(gè)器件有了R-C網(wǎng)絡(luò )，那么為該系列中的其他器件創(chuàng )建R-C模型（從而生成瞬態(tài)熱阻曲線(xiàn)）就相對容易，只需改變仿真模型的輸入，如功率FET的器件有源面積、總硅面積等。梯形圖中R的總和就是系統的結至環(huán)境總熱阻。

另一類(lèi)R-C階梯是Cauer網(wǎng)絡(luò )，如下圖73所示。在該網(wǎng)絡(luò )中，電容全都連接到系統的熱接地，每個(gè)階梯中的 R 和 C 與物理梯形結構直接相關(guān)。從階梯中可以直觀(guān)地觀(guān)察到，靠近結的梯級將首先充電（熱意義上），朝向接地的梯級只有當上面的梯級發(fā)生熱量飽和時(shí)才會(huì )充電。因此，靠近結的梯級可以與器件和封裝相關(guān)，而靠近環(huán)境地的梯級可以與外部應用條件（如 PCB）相關(guān)，但器件與其外圍之間沒(méi)有明確的界限。

圖73：Cauer R-C網(wǎng)絡(luò )模型

雖然Cauer網(wǎng)絡(luò )階梯中的電阻總和也能得出總熱阻，但各個(gè)梯級與Foster網(wǎng)絡(luò )不同。通過(guò)觀(guān)察Cauer R-C網(wǎng)絡(luò )的相應變化，可以更好地認知系統條件的變化（幾個(gè)具有相似時(shí)間常數的物理貢獻因素與其數學(xué)等價(jià)物之間的關(guān)系相當復雜）。Cauer網(wǎng)絡(luò )一般很難建模，也很難從一個(gè)器件轉置到另一個(gè)器件，而且它一般是利用已知算法根據其 Foster 對應網(wǎng)絡(luò )來(lái)計算。

安森美高邊SmartFET系列的數據表可能包括也可能不包括這些R-C模型，具體取決于特定產(chǎn)品。然而，這些模型可以根據客戶(hù)的具體要求提供。

了解數據表曲線(xiàn)

除非另有說(shuō)明，數據表列出了穩態(tài)結至環(huán)境熱阻和結至外殼/引腳/焊點(diǎn)的熱阻，同時(shí)給出了瞬態(tài)熱阻圖。應注意的是，這些熱阻是根據一組應用和安裝條件指定的，如PCB銅散熱器面積和厚度、FR4面積、電路板層數等。公布的曲線(xiàn)僅在這些條件下有效，如果應用條件與數據表中提到的條件不同，則不應使用這些曲線(xiàn)來(lái)估算結溫。按照同樣的思路，任何比較分析（安森美產(chǎn)品組合內的比較或與競爭器件的比較）只有在測試條件一致的情況下才能提供可靠結果。為此，應當遵循規定電路板幾何形狀和特性的某些標準，例如JEDEC JESD 51-3、51-7等。關(guān)于描述熱阻時(shí)遵循的一組條件，請參考相應的產(chǎn)品數據表。以圖74為例，考慮NCV84160的結至環(huán)境瞬態(tài)熱阻曲線(xiàn)：

圖74：瞬態(tài)熱阻示例性曲線(xiàn)-NCV84160

應注意的是，θ和R(t)可以互換使用，二者均用于描述器件的熱阻。上圖描繪了單個(gè)脈沖和一個(gè)PWM功率脈沖序列（由占空比定義）對應的熱阻。測量條件指定單層PCB，FR4面積為4.8cm*4.8cm，正面 1 盎司銅散熱器面積約為200mm2（一般只考慮漏極和源極端子），背平面覆蓋有 1 盎司銅散熱器，沒(méi)有內部平面。此外，假設被測器件附近沒(méi)有其他熱源在工作，否則這些熱源可能影響系統的熱剖面。走線(xiàn)/測試線(xiàn)的長(cháng)度、過(guò)孔（如果有）的布置、測試板的方向和環(huán)境溫度的穩定性（通常通過(guò)強制對流實(shí)現）也是已知的會(huì )影響熱響應的因素，當然還有許多其他因素。因此，熱阻規格僅在上述條件下有效，而不能普遍適用于任何其他應用條件。為了量化應用條件變化的影響，圖75中的曲線(xiàn)描繪了同一器件 (NCV84160) 在與以上所述相同的條件下的熱阻，但正面銅散熱器面積從200mm2變?yōu)樽钚『副P(pán)（銅區僅存在于封裝引腳的焊點(diǎn)處）。

圖75：瞬態(tài)熱阻示例性曲線(xiàn)-NCV84160，

正面銅面積為最小焊盤(pán)

在這種情況下，正面銅散熱器面積減少200mm2，穩態(tài)熱阻增加約16%。再舉一例，FR4 面積增加約75%，預計會(huì )使穩態(tài)電阻降低約7%（如圖73所示，FR4特性一般與非常長(cháng)的時(shí)間常數相關(guān)，只有在脈沖持續時(shí)間較長(cháng)的情況下才會(huì )有明顯的影響）。此處提供的數據僅對這種特定情況有效，不應擴展到其他器件，因為測試條件和對熱阻的相應影響可能不同。

假設在特定應用中，測試條件與圖74中公布的曲線(xiàn)所依據的條件相同，那么可通過(guò)下述近似計算來(lái)估計假想電感切換環(huán)境中的平均結溫。

考慮切換1 mH電感，峰值電流為5A，環(huán)境溫度為25°C，電池電壓為14V。忽略輸出導通路徑中的串聯(lián)電阻（這在實(shí)際應用中不一定如此）。下面的理想化波形集描述了這種情況：

圖76：假想電感切換事件的理想化波集-計算結溫

使用下面的公式計算tON和tAVAL，結果分別為約0.38ms 和約0.16ms。

（公式19）

（公式20）

這樣，充電和雪崩事件期間的平均功耗可以分別近似為2W和80W。這些功率水平的計算假設在充電和放電循環(huán)期間電流具有理想直線(xiàn)衰減曲線(xiàn)。在實(shí)際應用中，平均功率水平應該直接測量（大多數測量設備可以執行數學(xué)運算來(lái)輸出測量功率），而不是進(jìn)行這些近似計算。

現在，參考圖74中的一組曲線(xiàn)，x 軸定義功率脈沖的時(shí)間周期，y軸指定不同占空比操作下的熱阻。從單脈沖曲線(xiàn)外推熱阻，在約0.38ms（充電周期）時(shí)熱阻約為 1.2°C/W，可以計算出溫升為1.2*2~2.4°C。對放電事件進(jìn)行類(lèi)似的外推，可以計算出溫升為0.8*80~64°C。將該溫升與環(huán)境溫度相加，SCIS事件結束時(shí)的結溫為25+2.4+64~92°C。

在重復開(kāi)關(guān)的情況下，應參考占空比曲線(xiàn)，而不是單脈沖曲線(xiàn)。例如，如果圖76中的電感以100Hz的頻率切換，則時(shí)間周期為10ms。充電和放電事件的占空比分別為0.38/10~3.8% 和0.16/10~1.6%?？梢詫@些曲線(xiàn)進(jìn)行插值以獲得估計的熱阻，并且可以用與上述類(lèi)似的方式計算結溫。

這里的計算假設感應充電和放電事件具有一個(gè)平均矩形功率剖面當量，這并不完全準確，也不一定在每個(gè)應用中都成立。上述計算的目的是演示熱阻曲線(xiàn)的解釋和使用。如果對動(dòng)態(tài)溫度變化感興趣，則需要將瞬時(shí)功率剖面輸入計算器，后者采用 Foster R-C 模型，并使用一組公式進(jìn)行分段積分，以估計相應的溫度剖面。這種剖面可以根據客戶(hù)的具體請求提供。

所有上述計算和R-C網(wǎng)絡(luò )中展示的是結至環(huán)境熱阻模型，這是因為它在實(shí)際場(chǎng)景中更有意義。雖然結至外殼（或結至引腳）熱阻似乎是估算結溫的便捷工具，只需記錄功率事件期間的外殼溫度，但使用已公布的結至外殼熱阻數字可能會(huì )造成誤導。結至外殼測量背后的前提是假設器件的“外殼”被視為“熱接地”，無(wú)論結溫如何動(dòng)態(tài)變化，它都應保持在固定的已知溫度。這種條件在實(shí)踐中很難實(shí)現，在短暫瞬變中幾乎不可能實(shí)現，因為外殼溫度隨著(zhù)動(dòng)態(tài)功率水平的變化而搖擺不定。此外，大多數溫度記錄器件（如熱電偶）的響應時(shí)間遠高于汽車(chē) PWM 應用中施加的典型功率瞬變，因此很難預測準確的外殼溫度。相比之下，結至環(huán)境熱阻更可靠，因為在動(dòng)態(tài)功率變化的情況下，我們可以更精確地控制環(huán)境溫度（通過(guò)適當的散熱和受控氣流）。

設計理念——保護特性

安森美高邊SmartFET中的保護特性（尤其是限流和溫度關(guān)斷）的設計考慮了器件的熱性能。低功耗器件采用線(xiàn)性限流和熱驅動(dòng)的重試策略，而在密集技術(shù)上實(shí)現的高功率器件使用更精確的限流峰值檢測關(guān)斷和基于定時(shí)器的重試策略。從布局角度看，對芯片的熱圖進(jìn)行仿真以評估該區域對施加的功率最敏感（就溫度變化而言）的部分。溫度檢測結構的布局是為了優(yōu)化：a) 最大芯片溫度；b) 傳感器相對于芯片上最大溫度的線(xiàn)性度；c) 差分溫度檢測所需的變化量，以限制瞬態(tài)熱應力。在整合了銅夾片以覆蓋有源源極區域的器件中，這些傳感器的布置變得更具挑戰性。電流檢測結構的布局也考慮了電流密度分布的均勻性，同時(shí)避免形成制約通道，防止在芯片上產(chǎn)生熱點(diǎn)。除布局外，這些保護特性的模擬控制電路還需要針對所需的熱性能進(jìn)行設計。在設計該電路時(shí)，主要考慮控制激活閾值和電路元件的溫度系數。