熱建模解決汽車芯片設(shè)計散熱問題

在前圍板應(yīng)用中，電子器件位于發(fā)動機艙和汽車車廂之間，器件可能暴露在高達105℃的環(huán)境溫度下。而發(fā)動機艙應(yīng)用需要工作在高達125℃的環(huán)境溫度下。

散熱考慮在與安全相關(guān)的系統(tǒng)中特別重要，如動力方向盤、氣囊和防抱死制動系統(tǒng)。在制動和氣囊應(yīng)用中，功率等級有可能在短時間(1ms)內(nèi)高達100W。

不斷增加的功能要求以及集成的眾多資源推動裸片功率不斷提升。一些車用半導(dǎo)體的裸片溫度在短時間內(nèi)可以高達175℃至185℃。這個溫度對汽車器件而言通常是熱關(guān)斷門限。

隨著更多安全性能的增加，散熱要求也越來越高。雖然十多年來氣囊在汽車中已經(jīng)很常見，但現(xiàn)在有些汽車的氣囊數(shù)量多達12個。在實際部署中，多個氣囊要求按順序操作，因此與單個傳統(tǒng)氣囊相比將產(chǎn)生艱巨得多的散熱設(shè)計挑戰(zhàn)。

對于材料屬性的散熱挑戰(zhàn)，盡可能降低汽車組件成本已經(jīng)不是什么秘密。塑料原料正在大量取代金屬模塊和PCB外殼。塑料外殼具有生產(chǎn)成本更低的優(yōu)點，而且重量更輕。但是，與更低成本和更輕重量相對應(yīng)的是散熱性能降低。

塑料原料具有非常低的熱導(dǎo)率，大約在0.3至1W/mK的范圍內(nèi)，因此它們實質(zhì)上是熱絕緣體。毫無疑問，改成塑料外殼將妨礙系統(tǒng)的散熱，增加半導(dǎo)體器件的熱負載。

為何建模？

在汽車半導(dǎo)體行業(yè)，建模工作主要集中在單個器件的熱性能和設(shè)計。通常認為小心簡化可以獲得建模數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)級簡化(例如從模型中刪除無關(guān)的低功耗器件)使用簡化的而非詳細的PCB銅布線，或假設(shè)機箱在固定溫度下散熱，都可以用來簡化散熱模型以實現(xiàn)快速建模。此外，經(jīng)過這些簡化仍能精確再現(xiàn)熱阻網(wǎng)絡(luò)。

封裝級熱建模可以用來評估潛在的封裝設(shè)計變化，而不需要高成本的開發(fā)和測試工作，從而無需考慮材料構(gòu)造。半導(dǎo)體封裝設(shè)計可以根據(jù)應(yīng)用需求進行改變，從而實現(xiàn)最佳的散熱效果。

采用像PowerPAD這樣的裸焊盤封裝后，熱量可以迅速從裸片散發(fā)到PCB。更大的裸片焊盤，與PCB更好的連接或改善裸片焊盤設(shè)計都可以改善器件的散熱性能。

熱建模技術(shù)還能用來檢查器件中潛在的材料改變帶來的影響。封裝材料的熱導(dǎo)率變化范圍很大，從低至0.4W/mK(熱絕緣體)到超過300W/mK(良好熱導(dǎo)體)。使用熱建模技術(shù)有助于平衡產(chǎn)品成本和性能之間的關(guān)系。

建模的驗證

對于關(guān)鍵系統(tǒng)，仔細進行實驗室分析可以確定熱性能和工作溫度。不過，對這些系統(tǒng)進行實驗室測量非常耗時，代價也很高。此時熱建模技術(shù)就是有助于解決系統(tǒng)散熱需求并滿足操作要求的有力工具。

在半導(dǎo)體行業(yè)，熱建模已經(jīng)成為概念測試和硅裸片設(shè)計過程中的早期組成部分。理想的熱建模流程在制造裸片前幾個月就開始了。IC設(shè)計工程師和熱分析工程師將評估器件的裸片版圖和功耗。

接著，熱建模工程師基于上述評估結(jié)果創(chuàng)建熱模型。一旦熱模型建成，設(shè)計工程師和建模工程師就會檢查數(shù)據(jù)并調(diào)整模型，以準(zhǔn)確反映可能的應(yīng)用情景。

強烈推薦進行所有有限元分析(FEA)建模驗證。TI公司的策略是進行相關(guān)性研究，比較熱建模結(jié)果和系統(tǒng)的物理性測量結(jié)果。

這些相關(guān)性研究可以凸顯多個潛在出錯的領(lǐng)域，包括材料屬性、功率定義和布局簡化。雖然沒有模型能夠完美復(fù)制真實的系統(tǒng)，但必須仔細斟酌建模過程中作出的假設(shè)，以確保最精確的系統(tǒng)描述。

在材料屬性方面，經(jīng)公布的數(shù)值通常表明了特定材料的整體熱導(dǎo)率。但在半導(dǎo)體應(yīng)用中經(jīng)常使用薄層材料，而材料表面積增加時將導(dǎo)致熱導(dǎo)率下降(相對同樣的體積值)。

特別要注意模型中描述的功耗，因為在工作期間器件的輸入功率隨時間是不斷變化的。電路板上或系統(tǒng)中其它地方的功耗可能也會影響裸片表面的真實功耗。

建模類型

目前有4種主要的熱模型可用于半導(dǎo)體封裝設(shè)計：系統(tǒng)級、封裝級、裸片級和裸片級瞬態(tài)分析。在汽車半導(dǎo)體領(lǐng)域，系統(tǒng)級熱建模尤其重要，因為它能說明一個特定器件將如何在特定系統(tǒng)中運作。

一般來說，汽車半導(dǎo)體熱建模要把PCB考慮進去，因為PCB是大部分半導(dǎo)體封裝的主要散熱器。包括銅層和散熱過孔在內(nèi)的PCB各組成部分應(yīng)加入熱模型，以便準(zhǔn)確地確定熱行為分析。此外，還應(yīng)包含所有獨特的物理形狀，如嵌入式散熱器、類似螺絲或鉚釘?shù)冉饘龠B接件等。

系統(tǒng)和PCB周圍的強制空氣流動在系統(tǒng)對流散熱中也發(fā)揮著重要作用。通常半導(dǎo)體行業(yè)的熱建模對象是單個大功率器件。但PCB上的其它功率器件對系統(tǒng)總體性能也有很大影響。

簡化這些封裝的輸入同時仍然保持一定的精度級別通常要求采用緊湊模型。緊湊模型是復(fù)雜度較低的熱阻網(wǎng)絡(luò)，可以提供這些非關(guān)鍵器件的熱性能的合理近似值。

在更小和引腳數(shù)量更少的器件中，可以用其它方法改善熱性能(圖2)。例如，將多個封裝引線熔化到器件的裸片焊盤上可以極大地改善總體結(jié)溫，并且不會影響器件正常工作。

建模假設(shè)

裸片級熱分析從對硅裸片布局的精確描述開始，包括裸片上的所有耗電區(qū)域。在簡單案例中都是假設(shè)功率被均勻地分布在硅片上。

但是，大部分裸片布局在整個裸片上的功率分布是不均勻的，具體取決于功能。這種不均勻的功率分布對器件的總體熱性能而言非常關(guān)鍵。針對需要良好散熱的器件，需要對裸片上的功率結(jié)構(gòu)分布倍加關(guān)注。