熱建模解決汽車芯片設(shè)計(jì)散熱問題

在一些熱分析軟件程序中，裸片布局可以用逗號(hào)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(jù)器件的復(fù)雜度和功率等級(jí)不同，裸片上的這些耗電區(qū)域可能從兩三個(gè)到幾百個(gè)不等。

熱建模工程師應(yīng)該與IC設(shè)計(jì)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(shí)仍能代表器件的總體功耗。同樣，在熱模型中，后臺(tái)功耗或靜態(tài)功耗可用于整個(gè)裸片表面，以表示非關(guān)鍵低功耗裸片結(jié)構(gòu)中的大部分功耗。

一些器件功能經(jīng)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(dǎo)致局部熱點(diǎn)，而這些熱點(diǎn)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(chǎn)品簇的位置非?？拷赡軐?dǎo)致殘留熱量，并可能對(duì)待評(píng)估裸片造成熱應(yīng)力。

模型也有助于裸片上嵌入式熱傳感器的放置或校準(zhǔn)。理想情況下，溫度傳感器應(yīng)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(jīng)常無法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)放在遠(yuǎn)離高耗電區(qū)中心的位置時(shí)，溫度傳感器又將無法讀取到準(zhǔn)確的器件最高溫度。

熱模型可以用來確定整個(gè)裸片上的熱梯度，包括傳感器位置的熱梯度。然后對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)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(shè)采用恒定的直流電源輸入。但在實(shí)際運(yùn)作中，器件功率是隨時(shí)間和可配置能力而變化的。如果僅針對(duì)最壞情況功耗設(shè)計(jì)熱系統(tǒng)，熱負(fù)載可能變得無法使用。

評(píng)估瞬態(tài)熱響應(yīng)的方法有很多種。最簡單的方法是假設(shè)裸片上使用直流電源，然后跟蹤隨時(shí)間變化的器件熱響應(yīng)。另一種方法是輸入一個(gè)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(gè)裸片位置(圖4)觀察變化電源的“隨時(shí)間響應(yīng)”。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(gè)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(dòng)或氣囊打開，器件功率在其壽命期的大部分時(shí)間內(nèi)都維持在較低水平。在氣囊系統(tǒng)啟動(dòng)期間，電能脈沖在短時(shí)間內(nèi)可以達(dá)到很高的值。

性能改善

設(shè)計(jì)優(yōu)化和更低的整體溫度是汽車半導(dǎo)體行業(yè)的熱建模目標(biāo)。降低工作中的裸片結(jié)溫可以提高器件可靠性。

對(duì)系統(tǒng)、電路板、封裝或裸片性能的微小改善可能會(huì)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(dòng)、熱傳導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體器件封裝設(shè)計(jì)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(dǎo)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(dǎo)體封裝的散熱性能。半導(dǎo)體裸片本身就允許用多種方式來盡可能減小總體溫度。當(dāng)然，降低溫度的最佳途徑還是降低功耗。

對(duì)于硅電路設(shè)計(jì)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(yuǎn)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(dǎo)體，熱導(dǎo)率約為117W/mK。在耗電區(qū)周圍使用最大數(shù)量的硅可以提高器件的散熱能力。

對(duì)于裸片上的瞬態(tài)功耗，交錯(cuò)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(shí)以便熱量散發(fā)，或者在裸片上的多個(gè)區(qū)域分擔(dān)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(fù)。通過仔細(xì)設(shè)計(jì)裸片、封裝、PCB和系統(tǒng)，器件的熱性能可以得到顯著提高。