徹底攻克汽車(chē)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)散熱難題(一)
汽車(chē)電子產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)使用各種半導(dǎo)體封裝,封裝類(lèi)型從小型單一功能電晶體,到100多個(gè)接腳及特殊散熱功能的復(fù)雜電源封裝等。半導(dǎo)體封裝能夠保護(hù)晶粒、提供裝置與系統(tǒng)外部被動(dòng)元件之間的電子連接,并管理散熱。本文將討論半導(dǎo)體封裝如何讓晶片散熱。
在接腳封裝(leaded package)中,晶粒黏著于晶粒座的金屬片上。這個(gè)晶粒座在構(gòu)裝期間支撐晶粒,并提供良好的熱導(dǎo)體表面。在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中,常用的半導(dǎo)體封裝類(lèi)型是外露焊墊封裝(exposed pad),也就是PowerPAD封裝。在這類(lèi)封裝中,晶粒座的底部外露,直接焊接于印刷電路板(PCB),使晶粒直接散熱至PCB,透過(guò)焊接于電路板的外露焊墊向下散熱,然后透過(guò)PCB散熱至環(huán)境中。
外露焊墊封裝能夠透過(guò)底部,將80%的熱度散入PCB。另外20%的熱度則從裝置接腳及封裝側(cè)邊散出。只有不到1%的熱度是從裝置頂部散出。
非外露焊墊封裝也是接腳封裝,但晶粒座由塑膠完全包覆,無(wú)法直接散熱至PCB。在標(biāo)準(zhǔn)接腳封裝概念中(見(jiàn)圖1),大約58%的熱度是從接腳集封裝各邊散出,40%是從封裝底部散出,大約2%是從封裝頂部散出。散熱透過(guò)叁種方式進(jìn)行:傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射。對(duì)于汽車(chē)半導(dǎo)體封裝,散熱的主要是透過(guò)傳導(dǎo)至PCB及對(duì)流至周?chē)諝?。輻射?zhàn)散熱相當(dāng)小的比例。
圖 1. 標(biāo)準(zhǔn)接腳封裝及 PowerPAD 封裝的散熱及散熱途徑。
為什么散熱建立模型相當(dāng)重要?
為什么建立模型對(duì)于散熱相當(dāng)重要?對(duì)于大多數(shù)半導(dǎo)體應(yīng)用而言,必須使晶??焖賹?duì)外散熱,以防止硅晶粒過(guò)熱。硅晶粒的一般運(yùn)作溫度是105℃~150℃。溫度升高時(shí),容易出現(xiàn)金屬擴(kuò)散(metal diffusion)的現(xiàn)象,最終導(dǎo)致裝置因短路而故障。晶粒的穩(wěn)定性取決于高溫下運(yùn)作的時(shí)間。雖然硅晶粒可暫時(shí)承受比表列溫度更高的瞬間高溫,但裝置的可靠度會(huì)越來(lái)越低,電源需求與溫度限制必須達(dá)到平衡,因此散熱模型建立對(duì)于汽車(chē)應(yīng)用而言相當(dāng)重要。
表 1. 汽車(chē)應(yīng)用的環(huán)境溫度上限
散熱難題
在現(xiàn)今汽車(chē)的運(yùn)作、安全及舒適系統(tǒng)中,半導(dǎo)體扮演重要的角色。半導(dǎo)體普片應(yīng)用在車(chē)體電子裝置、安全氣囊、空調(diào)、收音機(jī)、方向盤(pán)(steering)、被動(dòng)式開(kāi)關(guān)、防盜系統(tǒng)、胎壓監(jiān)測(cè)等。雖然新應(yīng)用日漸增加,還是可歸結(jié)至叁個(gè)傳統(tǒng)的環(huán)境需求:駕駛室內(nèi)部、汽車(chē)防火墻(panel firewall)及發(fā)動(dòng)機(jī)艙(underhood)。在汽車(chē)環(huán)境需求的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)有叁個(gè)關(guān)鍵,就是環(huán)境高溫、高功率及特定材料散熱性質(zhì)。
高溫
汽車(chē)環(huán)境中特別是,車(chē)體可能出現(xiàn)極高的溫度。一般消費(fèi)性電子產(chǎn)品溫度約為25℃,上限約為70℃。然而在車(chē)內(nèi)乘客座艙環(huán)境中,內(nèi)部電子裝置或面板應(yīng)用溫度需求高達(dá)85℃。第二個(gè)環(huán)境是防火墻(firewall)應(yīng)用,其中的電子裝置位于引擎與汽車(chē)駕駛艙之間。位于此區(qū)域的裝置可能接觸高達(dá)105℃的環(huán)境溫度。但最嚴(yán)苛的是發(fā)動(dòng)機(jī)艙應(yīng)用,需要在高達(dá)125℃的環(huán)境溫度中運(yùn)作。
散熱考量對(duì)于安全系統(tǒng)特別重要,例如方向盤(pán)(steering)、安全安全氣囊及防鎖死(anti-lock)剎車(chē)。在煞車(chē)及安全安全氣囊應(yīng)用,功率可能在1毫秒內(nèi)達(dá)到100W。功能需求增加且過(guò)度集中在同一晶粒上,都會(huì)使功率提高。特定汽車(chē)應(yīng)用半導(dǎo)體的溫度可能短時(shí)間高達(dá)175℃至185℃,而這也是汽車(chē)裝置的因過(guò)熱而失去功能的上限。
安全功能增加,散熱需求也隨之增加。舉例來(lái)說(shuō),十多年來(lái)安全安全氣囊一直是汽車(chē)常見(jiàn)的配備,現(xiàn)在有些汽車(chē)配備高達(dá)12個(gè)安全氣囊。相較于傳統(tǒng)單一安全氣囊,裝設(shè)過(guò)程造成更大的散熱難題,而高溫會(huì)影響重要系統(tǒng)的可靠度。
材質(zhì)
和其他產(chǎn)業(yè)一樣,汽車(chē)組裝也尋求降低成本。塬先金屬材質(zhì)的模組和PCB機(jī)殼逐漸改為塑膠材質(zhì)。塑膠機(jī)殼的生產(chǎn)成本較低,而且重量較輕,缺點(diǎn)是散熱效能降低。因?yàn)樗苣z材質(zhì)的導(dǎo)熱性相當(dāng)?shù)停橛?.3至1W/mK的範(fàn)圍內(nèi),因此成為熱絕緣體。改用塑膠材質(zhì)不利于系統(tǒng)散熱,由于系統(tǒng)散熱的效率降低,造成半導(dǎo)體裝置的散熱負(fù)載增加。
評(píng)論