熱建模解決汽車(chē)芯片設計散熱問(wèn)題

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板上，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)。