熱建模解決汽車芯片設(shè)計(jì)散熱問題

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(shí)，金屬擴(kuò)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(shí)間。在很短的時(shí)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(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(jì)周期早期優(yōu)化裸片布局和電能脈沖時(shí)序，設(shè)計(jì)工程師可以用更少的硅測試裝置提供最優(yōu)化的設(shè)計(jì)，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(jì)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(gè)稱為裸片焊盤的金屬盤上。這種焊盤在整個(gè)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(yùn)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(jī)、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(gè)傳統(tǒng)領(lǐng)域仍保持著獨(dú)立的環(huán)境要求：車廂內(nèi)部，儀表盤前圍板和發(fā)動機(jī)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(fèi)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(yùn)行在高達(dá)85°C的高溫環(huán)境下(參考附表)。