熱建模解決汽車芯片設計散熱問題

散熱為什么很重要？對于大多數半導體應用來說，快速轉移裸片熱量并使熱量散發到更大的系統中去可以防止硅片上產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，金屬擴散越來越厲害，最終器件將因短路而發生故障。

裸片的可靠性很大程度上取決于裸片在高溫環境下所處的時間。在很短的時間內，硅裸片可以承受的溫度遠高于經公布的可接受值。但是，隨著時間的推移，器件的可靠性將受到影響。

由于存在功率需求和發熱限制之間的這種微妙平衡，熱建模已經成為汽車行業的一種重要工具。汽車安全行業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。

由此產生的更高溫度最終將影響可靠性，進而影響汽車安全性。但通過在設計周期早期優化裸片布局和電能脈沖時序，設計工程師可以用更少的硅測試裝置提供最優化的設計，從而進一步縮短開發周期。

半導體熱封裝

汽車電子行業使用多種不同的半導體封裝類型，從小型單功能晶體管到復雜的功率封裝，后者能夠提供100條以上引線以及專門設計的散熱功能。

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。

在引線式封裝中，裸片被安裝在一個稱為裸片焊盤的金屬盤上。這種焊盤在整個制造期間支撐裸片，并提供良好的導熱表面。汽車行業中的常見半導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散發到周圍環境中。

裸焊盤型封裝通過封裝底部傳導約80%的熱量到PCB，剩下20%的熱量從器件引腳和封裝側邊散發掉。從封裝頂部散發的熱量不到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邊散發，40%的熱量從封裝底部散發，頂部散發的熱量約占2%。

熱量可以通過傳導、對流或輻射等方式散發。對于汽車半導體封裝來說，主要的散熱方式是通過傳導至PCB和周圍空氣的對流。即使存在輻射也只能散發很少的熱量。

散熱挑戰

正常運轉、安全和舒適的汽車系統高度依賴于半導體產品，如今半導體產品在車身電子、氣囊、恒溫控制、收音機、方向控制、被動門禁、防盜系統、胎壓監測等系統中已經隨處可見。

盡管在車用半導體行業出現了許多新的應用，但三個傳統領域仍保持著獨立的環境要求：車廂內部，儀表盤前圍板和發動機艙。總的來說，有三大因素繼續挑戰汽車環境：高環境溫度、大功率和有限的材料散熱屬性。

汽車環境和其它環境下的溫度絕然不同。一般來說，消費電子產品的工作溫度在25℃左右，上限約為70℃。另一方面，汽車乘用車廂或儀表盤應用中的電子器件將運行在高達85°C的高溫環境下(參考附表)。