熱建模解決汽車芯片設(shè)計(jì)散熱問題

在前圍板應(yīng)用中，電子器件位于發(fā)動(dòng)機(jī)艙和汽車車廂之間，器件可能暴露在高達(dá)105℃的環(huán)境溫度下。而發(fā)動(dòng)機(jī)艙應(yīng)用需要工作在高達(dá)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(dòng)力方向盤、氣囊和防抱死制動(dòng)系統(tǒng)。在制動(dòng)和氣囊應(yīng)用中，功率等級(jí)有可能在短時(shí)間(1ms)內(nèi)高達(dá)100W。

不斷增加的功能要求以及集成的眾多資源推動(dòng)裸片功率不斷提升。一些車用半導(dǎo)體的裸片溫度在短時(shí)間內(nèi)可以高達(dá)175℃至185℃。這個(gè)溫度對(duì)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(dá)12個(gè)。在實(shí)際部署中，多個(gè)氣囊要求按順序操作，因此與單個(gè)傳統(tǒng)氣囊相比將產(chǎn)生艱巨得多的散熱設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

對(duì)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(diǎn)，而且重量更輕。但是，與更低成本和更輕重量相對(duì)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(shí)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(fù)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(gè)器件的熱性能和設(shè)計(jì)。通常認(rèn)為小心簡化可以獲得建模數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)級(jí)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(xì)的PCB銅布線，或假設(shè)機(jī)箱在固定溫度下散熱，都可以用來簡化散熱模型以實(shí)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(jí)熱建模可以用來評(píng)估潛在的封裝設(shè)計(jì)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(jì)可以根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行改變，從而實(shí)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(jì)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(yàn)證

對(duì)于關(guān)鍵系統(tǒng)，仔細(xì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析可以確定熱性能和工作溫度。不過，對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測量非常耗時(shí)，代價(jià)也很高。此時(shí)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(jì)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(gè)月就開始了。IC設(shè)計(jì)工程師和熱分析工程師將評(píng)估器件的裸片版圖和功耗。

接著，熱建模工程師基于上述評(píng)估結(jié)果創(chuàng)建熱模型。一旦熱模型建成，設(shè)計(jì)工程師和建模工程師就會(huì)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(qiáng)烈推薦進(jìn)行所有有限元分析(FEA)建模驗(yàn)證。TI公司的策略是進(jìn)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(gè)潛在出錯(cuò)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(shí)的系統(tǒng)，但必須仔細(xì)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(shí)將導(dǎo)致熱導(dǎo)率下降(相對(duì)同樣的體積值)。

特別要注意模型中描述的功耗，因?yàn)樵诠ぷ髌陂g器件的輸入功率隨時(shí)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(huì)影響裸片表面的真實(shí)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(jì)：系統(tǒng)級(jí)、封裝級(jí)、裸片級(jí)和裸片級(jí)瞬態(tài)分析。在汽車半導(dǎo)體領(lǐng)域，系統(tǒng)級(jí)熱建模尤其重要，因?yàn)樗苷f明一個(gè)特定器件將如何在特定系統(tǒng)中運(yùn)作。

一般來說，汽車半導(dǎo)體熱建模要把PCB考慮進(jìn)去，因?yàn)镻CB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(dú)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(qiáng)制空氣流動(dòng)在系統(tǒng)對(duì)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(duì)象是單個(gè)大功率器件。但PCB上的其它功率器件對(duì)系統(tǒng)總體性能也有很大影響。

簡化這些封裝的輸入同時(shí)仍然保持一定的精度級(jí)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(gè)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(huì)影響器件正常工作。

建模假設(shè)

裸片級(jí)熱分析從對(duì)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(gè)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(duì)器件的總體熱性能而言非常關(guān)鍵。針對(duì)需要良好散熱的器件，需要對(duì)裸片上的功率結(jié)構(gòu)分布倍加關(guān)注。