热建模解决汽车芯片设计散热问题

散热为什么很重要？对于大多数半导体应用来说，快速转移裸片热量并使热量散发到更大的系统中去可以防止硅片上产生热量高度集中的区域。

硅裸片的典型工作温度从105℃到150℃，取决于具体的应用。在较高温度时，金属扩散越来越厉害，最终器件将因短路而发生故障。

裸片的可靠性很大程度上取决于裸片在高温环境下所处的时间。在很短的时间内，硅裸片可以承受的温度远高于经公布的可接受值。但是，随着时间的推移，器件的可靠性将受到影响。

由于存在功率需求和发热限制之间的这种微妙平衡，热建模已经成为汽车行业的一种重要工具。汽车安全行业如今追求的是更小的组件和更少的器件数量，这迫使半导体供应商用更高的功耗换取在芯片中集成更多功能。

由此产生的更高温度最终将影响可靠性，进而影响汽车安全性。但通过在设计周期早期优化裸片布局和电能脉冲时序，设计工程师可以用更少的硅测试装置提供最优化的设计，从而进一步缩短开发周期。

半导体热封装

汽车电子行业使用多种不同的半导体封装类型，从小型单功能晶体管到复杂的功率封装，后者能够提供100条以上引线以及专门设计的散热功能。

半导体封装的作用是保护裸片，在系统中提供器件与外部无源器件之间的电气连接以及散热管理。本节将主要讨论半导体封装在裸片散热方面的性能。

在引线式封装中，裸片被安装在一个称为裸片焊盘的金属盘上。这种焊盘在整个制造期间支撑裸片，并提供良好的导热表面。汽车行业中的常见半导体封装类型是裸焊盘，或者叫做PowerPAD型封装(图1)。



裸片焊盘底部是裸露的，且被直接焊接到PCB板上，以提供从裸片到PCB的直接热量传递。主要散热路径向下穿过焊接到电路板的裸焊盘，这样热量可以通过PCB散发到周围环境中。

裸焊盘型封装通过封装底部传导约80%的热量到PCB，剩下20%的热量从器件引脚和封装侧边散发掉。从封装顶部散发的热量不到1%。

非裸露焊盘封装是一种类似的引线式封装(图1)。在这种封装中，塑料完全充塞着裸片焊盘周围，因此没有可连至PCB的直接热量通路。约58%的热量从引线和封装侧边散发，40%的热量从封装底部散发，顶部散发的热量约占2%。

热量可以通过传导、对流或辐射等方式散发。对于汽车半导体封装来说，主要的散热方式是通过传导至PCB和周围空气的对流。即使存在辐射也只能散发很少的热量。

散热挑战

正常运转、安全和舒适的汽车系统高度依赖于半导体产品，如今半导体产品在车身电子、气囊、恒温控制、收音机、方向控制、被动门禁、防盗系统、胎压监测等系统中已经随处可见。

尽管在车用半导体行业出现了许多新的应用，但三个传统领域仍保持着独立的环境要求：车厢内部，仪表盘前围板和发动机舱。总的来说，有三大因素继续挑战汽车环境：高环境温度、大功率和有限的材料散热属性。 　

汽车环境和其它环境下的温度绝然不同。一般来说，消费电子产品的工作温度在25℃左右，上限约为70℃。另一方面，汽车乘用车厢或仪表盘应用中的电子器件将运行在高达85°C的高温环境下(参考附表)。



在前围板应用中，电子器件位于发动机舱和汽车车厢之间，器件可能暴露在高达105℃的环境温度下。而发动机舱应用需要工作在高达125℃的环境温度下。

散热考虑在与安全相关的系统中特别重要，如动力方向盘、气囊和防抱死制动系统。在制动和气囊应用中，功率等级有可能在短时间(1ms)内高达100W。

不断增加的功能要求以及集成的众多资源推动裸片功率不断提升。一些车用半导体的裸片温度在短时间内可以高达175℃至185℃。这个温度对汽车器件而言通常是热关断门限。

随着更多安全性能的增加，散热要求也越来越高。虽然十多年来气囊在汽车中已经很常见，但现在有些汽车的气囊数量多达12个。在实际部署中，多个气囊要求按顺序操作，因此与单个传统气囊相比将产生艰巨得多的散热设计挑战。

对于材料属性的散热挑战，尽可能降低汽车组件成本已经不是什么秘密。塑料原料正在大量取代金属模块和PCB外壳。塑料外壳具有生产成本更低的优点，而且重量更轻。但是，与更低成本和更轻重量相对应的是散热性能降低。

塑料原料具有非常低的热导率，大约在0.3至1W/mK的范围内，因此它们实质上是热绝缘体。毫无疑问，改成塑料外壳将妨碍系统的散热，增加半导体器件的热负载。

为何建模？

在汽车半导体行业，建模工作主要集中在单个器件的热性能和设计。通常认为小心简化可以获得建模数据。

系统级简化(例如从模型中删除无关的低功耗器件)使用简化的而非详细的PCB铜布线，或假设机箱在固定温度下散热，都可以用来简化散热模型以实现快速建模。此外，经过这些简化仍能精确再现热阻网络。

封装级热建模可以用来评估潜在的封装设计变化，而不需要高成本的开发和测试工作，从而无需考虑材料构造。半导体封装设计可以根据应用需求进行改变，从而实现最佳的散热效果。

采用像PowerPAD这样的裸焊盘封装后，热量可以迅速从裸片散发到PCB。更大的裸片焊盘，与PCB更好的连接或改善裸片焊盘设计都可以改善器件的散热性能。

热建模技术还能用来检查器件中潜在的材料改变带来的影响。封装材料的热导率变化范围很大，从低至0.4W/mK(热绝缘体)到超过300W/mK(良好热导体)。使用热建模技术有助于平衡产品成本和性能之间的关系。