熱建模解決汽車芯片設計散熱問題

在一些熱分析軟件程序中，裸片布局可以用逗號分隔的變量(.csv)輸入格式(圖3)輸入。這樣可以在裸片布局和熱建模軟件之間輕松傳遞信息。根據器件的復雜度和功率等級不同，裸片上的這些耗電區(qū)域可能從兩三個到幾百個不等。

熱建模工程師應該與IC設計工程師緊密合作，以便確定在熱模型中需要包含的耗電區(qū)域。通常，一些功耗非常低的小區(qū)域可組成較大的區(qū)域，從而簡化熱模型，同時仍能代表器件的總體功耗。同樣，在熱模型中，后臺功耗或靜態(tài)功耗可用于整個裸片表面，以表示非關鍵低功耗裸片結構中的大部分功耗。

一些器件功能經常要求裸片上的小塊區(qū)域提供較大的功率。這些大功率區(qū)域可能導致局部熱點，而這些熱點區(qū)域的溫度可能比周邊的硅片高出許多。

熱建模有助于突出熱問題，例如中等功率硅產品簇的位置非?？拷赡軐е職埩魺崃?，并可能對待評估裸片造成熱應力。

模型也有助于裸片上嵌入式熱傳感器的放置或校準。理想情況下，溫度傳感器應放在裸片上功耗最高區(qū)域的中心。但由于受布局的約束，經常無法實現(xiàn)。當放在遠離高耗電區(qū)中心的位置時，溫度傳感器又將無法讀取到準確的器件最高溫度。

熱模型可以用來確定整個裸片上的熱梯度，包括傳感器位置的熱梯度。然后對傳感器進行校準以得出最熱區(qū)域和傳感器位置之間的溫度差值。

上述模型都假設采用恒定的直流電源輸入。但在實際運作中，器件功率是隨時間和可配置能力而變化的。如果僅針對最壞情況功耗設計熱系統(tǒng)，熱負載可能變得無法使用。

評估瞬態(tài)熱響應的方法有很多種。最簡單的方法是假設裸片上使用直流電源，然后跟蹤隨時間變化的器件熱響應。另一種方法是輸入一個變化的電源，然后采用熱分析軟件確定最終的穩(wěn)態(tài)溫度。

第三種也是最有用的瞬態(tài)建模是在多個裸片位置(圖4)觀察變化電源的“隨時間響應”。利用這種方法可以捕捉到正常情況下也許不明顯的器件之間的交互。瞬態(tài)建模也有助于觀察某些有別于正常器件功能的裸片操作的整個過程，如器件的上電或斷電模式。

在許多汽車系統(tǒng)中，如剎車致動或氣囊打開，器件功率在其壽命期的大部分時間內都維持在較低水平。在氣囊系統(tǒng)啟動期間，電能脈沖在短時間內可以達到很高的值。

性能改善

設計優(yōu)化和更低的整體溫度是汽車半導體行業(yè)的熱建模目標。降低工作中的裸片結溫可以提高器件可靠性。

對系統(tǒng)、電路板、封裝或裸片性能的微小改善可能會顯著提升最終的溫度性能。但器件和系統(tǒng)限制可能扼殺其中一些建議。

提升熱性能的方法包括空氣流動、熱傳導路徑或外部散熱器。另一種方法是提供更多的金屬面積用于散熱，如增加外部散熱器、至底座的金屬連接、PCB采用更多層或更高密度的銅層、導熱的銅板和散熱過孔等。

位于器件裸焊盤下方的散熱過孔有助于快速散發(fā)器件熱量，并加快向電路板其它部分的散熱速度。將半導體器件封裝設計為能快速將熱量從裸片散發(fā)到更大的系統(tǒng)中去。

利用更高熱導率材料，像PowerPAD那樣直接連接PCB，熔化到裸片焊盤的引線或安裝外部散熱器等都有助于改善半導體封裝的散熱性能。半導體裸片本身就允許用多種方式來盡可能減小總體溫度。當然，降低溫度的最佳途徑還是降低功耗。

對于硅電路設計和布局來說，良好的散熱方法包括更大的散熱面積、使耗電區(qū)遠離裸片邊緣、使用長且窄的耗電區(qū)替代正方形區(qū)域以及在高耗電區(qū)提供足夠的空間等。硅是一種良好的熱導體，熱導率約為117W/mK。在耗電區(qū)周圍使用最大數量的硅可以提高器件的散熱能力。

對于裸片上的瞬態(tài)功耗，交錯電能脈沖以降低瞬態(tài)功率將可以降低總體溫度。這樣可以在電能脈沖之間形成較長的延時以便熱量散發(fā)，或者在裸片上的多個區(qū)域分擔高功率事件。這些瞬態(tài)變化允許熱系統(tǒng)在被施加更多熱量前得以恢復。通過仔細設計裸片、封裝、PCB和系統(tǒng)，器件的熱性能可以得到顯著提高。