徹底攻克汽車(chē)半導體設計散熱難題（二）

　　對于汽車(chē)半導體而言，單一裝置的散熱效能及設計通常是建立模型的重點(diǎn)，必須審慎簡(jiǎn)化，才能取得建立模型資料。去除模型中多余的低功率裝置、簡(jiǎn)化PCB銅線(xiàn)佈線(xiàn)、假設基座對在固定溫度散熱，加速完成散熱模型，才能準確呈現熱阻抗網(wǎng)路。

　　封裝層級散熱模型建立能在不需要高成本的開(kāi)發(fā)和測試狀況下，進(jìn)一步檢視可能的封裝設計變更，進(jìn)而免除材料建置。因為半導體封裝設計可以改變，依據應用需求達到最的散熱效果。在汽車(chē)半導體元件中，PowerPAD等外露焊墊封裝可使晶?？焖偕岬絇CB。加大的晶粒座、改良的PCB連接或基座設計等封裝都是為了達到更有效的散熱效能。散熱模型建立也用于檢查裝置中材料變換所造成的潛在影響。封裝材料的導熱性有極大的差異，從0.4W/mK（熱絕緣體）到300W/mK（熱良導體）不等。建立散熱模型有助于兼顧產(chǎn)品成本與效能平衡。

　　建立模型驗證

　　對于重要的系統而言，審慎的實(shí)驗數據分析可決定散熱效能及運作溫度，但實(shí)驗測量這些系統相當費時(shí)且耗成本。散熱模型能夠確實(shí)符合系統的散熱及運作要求，在半導體產(chǎn)業(yè)中，散熱模型已經(jīng)成為概念測試及硅晶設計過(guò)程的前置作業(yè)，理想的散熱模型建立流程會(huì )在晶片生產(chǎn)前幾個(gè)月進(jìn)行。積體電路設計人員和散熱工程人員負責先檢查裝置的晶片配置及電源耗損，然后散熱模型工程人員依據檢查結果，建立散熱模型，一旦散熱模型結果備齊，設計人員及建立模型工程人員將檢查數據并調整模型，以準確反映可能的應用情形。

　　汽車(chē)半導體產(chǎn)業(yè)多年來(lái)使用散熱模型提升產(chǎn)品設計，由其是有限元素分析（finite element analysis; FEA）驗證的模型。TI的塬則是先比較散熱建立模型結果與系統的實(shí)體測量，以進(jìn)行相關(guān)分析。這些相關(guān)分析著(zhù)重于潛在誤差，包括材質(zhì)、電源定義及尺寸簡(jiǎn)化。沒(méi)有任何模型能夠完全呈現實(shí)際的系統，因此必須注意建立模型期間所做的假設，以確實(shí)呈現最準確的系統。

　　對于材質(zhì)而言，發(fā)佈的數據通常呈現特定材料的容積傳導率，不過(guò)應用材料表面的反應會(huì )影響散熱效能。必須注意模型中呈現的功率，因為運作期間施加于裝置的功率會(huì )隨著(zhù)時(shí)間而變化。電路板或系統其他區域的電源耗損可能也會(huì )影響晶片表面的實(shí)際功率。

　　建立模型類(lèi)型

　　針對特定專(zhuān)案的散熱狀況，汽車(chē)半導體的散熱模型主要分為四種，可用以了解和驗證散熱效能：系統等級、封裝等級、晶粒等級和晶粒暫態(tài)分析。

　　系統層級散熱建立模型相當重要，因為模型可呈現特定裝置在某些系統中運作的效能?；旧?，汽車(chē)半導體散熱建立模型將PCB納入考量，因為PCB是大多數半導體封裝的主要散熱器。PCB的銅層和散熱孔結構都必須包含在散熱模型中，才能準確判斷散熱行為。如果系統使用嵌入式散熱器之類(lèi)的元件，及螺絲或鉚釘作金屬連接，都必須納入模型中，以判斷對于裝置的散熱效能所產(chǎn)生的影響。

　　強制對流（forced airflow）及PCB周?chē)目諝饬魍▽τ谙到y導熱也相當重要。半導體的散熱模型通常是針對單一高功率裝置，但PCB的其他電源元件對于系統的整體效能也相當重要。若要簡(jiǎn)化這些封裝的輸入，并維持準確度，通?？墒褂镁?jiǎn)模型。精簡(jiǎn)模型是簡(jiǎn)化的熱阻抗網(wǎng)路，合理估算PCB上的較不重要的裝置所達到的散熱效能。

　　在低接腳數的小型裝置中（見(jiàn)圖2），可使用其他方法提升散熱效能。將多個(gè)封裝接腳接在裝置的基座之后，即可大幅改善整體的接點(diǎn)溫度，而不影響裝置的運作。

　　圖2：對于 8 接腳 SOIC 封裝，將多個(gè)接腳接在基座之后，接點(diǎn)溫度最低可達 25°C。

　　建立模型假設

　　晶粒分析首先需要準確呈現硅晶配置，包括晶粒上任何用電的區域。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，可以假設電源平均分配到晶片的各個(gè)區域，不過(guò)，對于大多數的晶片配置而言，皆會(huì )因為功能而出現供電不平均的情況，這種現象對于裝置的整體散熱效能至關(guān)重要。針對重視散熱功能的裝置而言，必須特別注意晶片的用電結構。

　　在某些散熱軟體程式中，可使用逗號分隔變數（.csv）來(lái)輸入晶片配置，如圖3所示。如此即可在晶粒配置與散熱模型軟體之間輕鬆傳輸資訊。視裝置的復雜度及用電量而定，這些用電區域可能有兩到叁處，甚至數百處。散熱模型工程人員應該與IC設計人員密切合作，找出哪些用電區域應該納入散熱模型?？剂垦b置的整體用電時(shí)，通?？梢詫⒂秒娏枯^小的小區域合併為大區域，以簡(jiǎn)化散熱模型。在散熱模型中，也可以在晶粒表面使用背景功耗或靜態(tài)功耗，以考量大部份的非重要低功耗晶粒結構。

　　裝置功能通常需要比晶粒上的小區域更高的電源。這些高用電區域會(huì )導致該區域過(guò)熱，溫度明顯比周?chē)?。相鄰的中度用電晶?？赡茉斐墒軠y的晶粒出現殘余熱度及熱應力，散熱模組也可顯現這些散熱問(wèn)題。

　　模型也可用于協(xié)助放置或調整嵌入式溫度感測器的位置。溫度感測器適合放在最高用電量的區域，不過(guò)由于配置限制，這通常不可能達成。如果不放在用電區域的中央，溫度感測器無(wú)法讀取裝置的實(shí)際最高溫度。散熱模型可用于判斷晶粒上的熱梯度，包括在感測器的位置。感測器可加以調整，以因應最高溫區域與感測器區域之間的溫差。

　　假設前文提及的模型類(lèi)型全部以穩定的DC電源輸入，在實(shí)際運作中，裝置電源會(huì )隨著(zhù)時(shí)間和配置而變動(dòng)。如果設計散熱系統解決最不理想的用電情況，散熱負載將變得相當嚴重。有許多方法可用來(lái)觀(guān)察暫態(tài)散熱反應，最簡(jiǎn)單的方法是假設晶片上的直流電源，然后追蹤裝置隨時(shí)間變化所呈現的散熱反應。第二種方法是輸入不同的電源，然后使用散熱軟體判斷最終的穩定狀態(tài)溫度。第叁種最為實(shí)用的暫態(tài)模型建立方法是觀(guān)察晶片的不同位置上，電源隨時(shí)間所產(chǎn)生的變化，如圖4所示。使用這種方法，可以了解裝置之間在正常運作下無(wú)法呈現的互動(dòng)過(guò)程。暫態(tài)模型也有助于觀(guān)察正常裝置運作之外，某個(gè)晶片運作的全部過(guò)程，例如裝置的通電或斷電模式。

　　圖3：散熱模型軟體使用逗號分隔變數輸入產(chǎn)生詳細的晶粒配置，并顯示晶粒表面的潛在熱點(diǎn)位置。

　　圖4：半導體裝置表面上的散熱反應隨著(zhù)時(shí)間而變化。在此情況下，晶粒的不同區域是以交錯的方式獲得電源。散熱模型可供更密切觀(guān)察隨時(shí)間變化的晶粒溫度。

　　在煞車(chē)制動(dòng)或安全氣囊配置等許多汽車(chē)系統中，裝置用電量在裝置使用壽命期間都相當低。對于安全氣囊系統，電源脈衝會(huì )短時(shí)間升高。

改善之道

　　對于汽車(chē)半導體產(chǎn)業(yè)，散熱建立模型的目的是設計優(yōu)化及降低整體溫度。只要降低運作晶片接點(diǎn)溫度，即可提升裝置的可靠性。系統、電路板、封裝或晶粒的小幅度改善能夠大幅改善最終的溫度。但裝置及系統限制可能會(huì )使得其中一些選項無(wú)法適用，本文仍列舉系統降溫的幾個(gè)最佳實(shí)務(wù)做法。

　　有許多方法可改善系統或PCB的散熱效能，包括空氣流通、導熱途徑或外部散熱器。提供更多金屬區域進(jìn)行散熱能夠改善散熱效能，這包括外部散熱器、基座的金屬連接、印刷電路板的更多分層或更密集的銅層、基于散熱用途而連接的銅層及散熱通孔。

　　位于裝置的外露焊墊下方的散熱通孔將裝置內部的熱度散出，使得電路板的其他部份加速散熱。半導體裝置封裝的設計能夠使晶?？焖賹ν馍?。半導體封裝的散熱改善包括傳導性更高的材料、PowerPAD等直接附加于PCB的做法、接在晶粒座的接腳或外部散熱器的黏接位置。半導體晶粒本身有許多方法可降低整體溫度，降低溫度的最佳方法就是減少用電量。

　　對于半導體電路設計及配置，良好的散熱做法包括擴大散熱區域、找出晶片邊緣外的用電區域、使用狹長(cháng)形用電區域而非方形區域，及使高用電量區域之間有充足的間隔距離。硅本身是熱良導體，導熱性約為117W/mK。只要用電區域周?chē)凶疃嗟墓?，即可改善裝置的散熱效果。對于晶粒上的暫態(tài)電源，只要將電源脈衝交錯而降低瞬間功耗，使電源脈衝的間隔時(shí)間加長(cháng)，讓熱度能夠散出，或者將高用電量元件分配在