彻底攻克汽车半导体设计散热难题（一）

目前汽车安全产业需要降低元件数的小型组件，缩小尺寸及减少元件数的需求，促使半导体供应商加入更多耗电的功能，造成元件温度升高，降低稳定性，同时也影响汽车安全。若在设计阶段早期优化晶片配置及电源脉衝时间，设计人员即可降低硅测试次数，缩短开发时间。本文首先将说明半导体散热封装的功能，与如何使用模型模拟软体协助电源元件及系统设计，包括一般汽车设计难题的讨论、模型建立技巧、散热模型验证及系统提升。

　　汽车电子产品产业使用各种半导体封装，封装类型从小型单一功能电晶体，到100多个接脚及特殊散热功能的复杂电源封装等。半导体封装能够保护晶粒、提供装置与系统外部被动元件之间的电子连接，并管理散热。本文将讨论半导体封装如何让晶片散热。

　　在接脚封装（leaded package）中，晶粒黏着于晶粒座的金属片上。这个晶粒座在构装期间支撑晶粒，并提供良好的热导体表面。在汽车产业中，常用的半导体封装类型是外露焊垫封装（exposed pad），也就是PowerPAD封装。在这类封装中，晶粒座的底部外露，直接焊接于印刷电路板（PCB），使晶粒直接散热至PCB，透过焊接于电路板的外露焊垫向下散热，然后透过PCB散热至环境中。

　　外露焊垫封装能够透过底部，将80%的热度散入PCB。另外20%的热度则从装置接脚及封装侧边散出。只有不到1%的热度是从装置顶部散出。

　　非外露焊垫封装也是接脚封装，但晶粒座由塑胶完全包覆，无法直接散热至PCB。在标準接脚封装概念中（见图1），大约58%的热度是从接脚集封装各边散出，40%是从封装底部散出，大约2%是从封装顶部散出。散热透过叁种方式进行：传导、对流及辐射。对于汽车半导体封装，散热的主要是透过传导至PCB及对流至周围空气。辐射佔散热相当小的比例。

　　

　　图 1. 标準接脚封装及 PowerPAD 封装的散热及散热途径。
为什么散热建立模型相当重要？

　　为什么建立模型对于散热相当重要？对于大多数半导体应用而言，必须使晶粒快速对外散热，以防止硅晶粒过热。硅晶粒的一般运作温度是105℃~150℃。温度升高时，容易出现金属扩散（metal diffusion）的现象，最终导致装置因短路而故障。晶粒的稳定性取决于高温下运作的时间。虽然硅晶粒可暂时承受比表列温度更高的瞬间高温，但装置的可靠度会越来越低，电源需求与温度限制必须达到平衡，因此散热模型建立对于汽车应用而言相当重要。

　　

　　表 1. 汽车应用的环境温度上限

　　散热难题

　　在现今汽车的运作、安全及舒适系统中，半导体扮演重要的角色。半导体普片应用在车体电子装置、安全气囊、空调、收音机、方向盘（steering）、被动式开关、防盗系统、胎压监测等。虽然新应用日渐增加，还是可归结至叁个传统的环境需求：驾驶室内部、汽车防火墙（panel firewall）及发动机舱（underhood）。在汽车环境需求的设计挑战有叁个关键，就是环境高温、高功率及特定材料散热性质。

　　高温

　　汽车环境中特别是，车体可能出现极高的温度。一般消费性电子产品温度约为25℃，上限约为70℃。然而在车内乘客座舱环境中，内部电子装置或面板应用温度需求高达85℃。第二个环境是防火墙（firewall）应用，其中的电子装置位于引擎与汽车驾驶舱之间。位于此区域的装置可能接触高达105℃的环境温度。但最严苛的是发动机舱应用，需要在高达125℃的环境温度中运作。

　　散热考量对于安全系统特别重要，例如方向盘（steering）、安全安全气囊及防锁死（anti-lock）剎车。在煞车及安全安全气囊应用，功率可能在1毫秒内达到100W。功能需求增加且过度集中在同一晶粒上，都会使功率提高。特定汽车应用半导体的温度可能短时间高达175℃至185℃，而这也是汽车装置的因过热而失去功能的上限。

　　安全功能增加，散热需求也随之增加。举例来说，十多年来安全安全气囊一直是汽车常见的配备，现在有些汽车配备高达12个安全气囊。相较于传统单一安全气囊，装设过程造成更大的散热难题，而高温会影响重要系统的可靠度。

　　材质

　　和其他产业一样，汽车组装也寻求降低成本。塬先金属材质的模组和PCB机壳逐渐改为塑胶材质。塑胶机壳的生产成本较低，而且重量较轻，缺点是散热效能降低。因为塑胶材质的导热性相当低，介于0.3至1W/mK的範围内，因此成为热绝缘体。改用塑胶材质不利于系统散热，由于系统散热的效率降低，造成半导体装置的散热负载增加。