目前汽車安全產(chǎn)業(yè)需要降低元件數(shù)的小型組件，縮小尺寸及減少元件數(shù)的需求，促使半導(dǎo)體供應(yīng)商加入更多耗電的功能，造成元件溫度升高，降低穩(wěn)定性，同時(shí)也影響汽車安全。若在設(shè)計(jì)階段早期優(yōu)化晶片配置及電源脈衝時(shí)間，設(shè)計(jì)人員即可降低硅測(cè)試次數(shù)，縮短開發(fā)時(shí)間。本文首先將說明半導(dǎo)體散熱封裝的功能，與如何使用模型模擬軟體協(xié)助電源元件及系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括一般汽車設(shè)計(jì)難題的討論、模型建立技巧、散熱模型驗(yàn)證及系統(tǒng)提升。

　　汽車電子產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)使用各種半導(dǎo)體封裝，封裝類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。在汽車產(chǎn)業(yè)中，常用的半導(dǎo)體封裝類型是外露焊墊封裝（exposed pad），也就是PowerPAD封裝。在這類封裝中，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，透過焊接于電路板的外露焊墊向下散熱，然后透過PCB散熱至環(huán)境中。

　　外露焊墊封裝能夠透過底部，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，無法直接散熱至PCB。在標(biāo)準(zhǔn)接腳封裝概念中（見圖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。散熱透過叁種方式進(jìn)行：傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射。對(duì)于汽車半導(dǎo)體封裝，散熱的主要是透過傳導(dǎo)至PCB及對(duì)流至周圍空氣。輻射佔(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?？蓵簳r(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)于汽車應(yīng)用而言相當(dāng)重要。

　　表 1. 汽車應(yīng)用的環(huán)境溫度上限

　　散熱難題

　　在現(xiàn)今汽車的運(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)用在車體電子裝置、安全氣囊、空調(diào)、收音機(jī)、方向盤（steering）、被動(dòng)式開關(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、汽車防火墻（panel firewall）及發(fā)動(dòng)機(jī)艙（underhood）。在汽車環(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

　　汽車環(huán)境中特別是，車體可能出現(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（steering）、安全安全氣囊及防鎖死（anti-lock）剎車。在煞車及安全安全氣囊應(yīng)用，功率可能在1毫秒內(nèi)達(dá)到100W。功能需求增加且過度集中在同一晶粒上，都會(huì)使功率提高。特定汽車應(yīng)用半導(dǎo)體的溫度可能短時(shí)間高達(dá)175℃至185℃，而這也是汽車裝置的因過熱而失去功能的上限。

　　安全功能增加，散熱需求也隨之增加。舉例來說，十多年來安全安全氣囊一直是汽車常見的配備，現(xiàn)在有些汽車配備高達(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)?，介?.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。

　　為何需要建立模型？

　　對(duì)于汽車半導(dǎo)體而言，單一裝置的散熱效能及設(shè)計(jì)通常是建立模型的重點(diǎn)，必須審慎簡(jiǎn)化，才能取得建立模型資料。去除模型中多余的低功率裝置、簡(jiǎn)化PCB銅線佈線、假設(shè)基座對(duì)在固定溫度散熱，加速完成散熱模型，才能準(zhǔn)確呈現(xiàn)熱阻抗網(wǎng)路。

　　封裝層級(jí)散熱模型建立能在不需要高成本的開發(fā)和測(cè)試狀況下，進(jìn)一步檢視可能的封裝設(shè)計(jì)變更，進(jìn)而免除材料建置。因?yàn)榘雽?dǎo)體封裝設(shè)計(jì)可以改變，依據(jù)應(yīng)用需求達(dá)到最的散熱效果。在汽車半導(dǎo)體元件中，PowerPAD等外露焊墊封裝可使晶?？焖偕岬絇CB。加大的晶粒座、改良的PCB連接或基座設(shè)計(jì)等封裝都是為了達(dá)到更有效的散熱效能。散熱模型建立也用于檢查裝置中材料變換所造成的潛在影響。封裝材料的導(dǎo)熱性有極大的差異，從0.4W/mK（熱絕緣體）到300W/mK（熱良導(dǎo)體）不等。建立散熱模型有助于兼顧產(chǎn)品成本與效能平衡。

　　建立模型驗(yàn)證

　　對(duì)于重要的系統(tǒng)而言，審慎的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可決定散熱效能及運(yùn)作溫度，但實(shí)驗(yàn)測(cè)量這些系統(tǒng)相當(dāng)費(fèi)時(shí)且耗成本。散熱模型能夠確實(shí)符合系統(tǒng)的散熱及運(yùn)作要求，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，散熱模型已經(jīng)成為概念測(cè)試及硅晶設(shè)計(jì)過程的前置作業(yè)，理想的散熱模型建立流程會(huì)在晶片生產(chǎn)前幾個(gè)月進(jìn)行。積體電路設(shè)計(jì)人員和散熱工程人員負(fù)責(zé)先檢查裝置的晶片配置及電源耗損，然后散熱模型工程人員依據(jù)檢查結(jié)果，建立散熱模型，一旦散熱模型結(jié)果備齊，設(shè)計(jì)人員及建立模型工程人員將檢查數(shù)據(jù)并調(diào)整模型，以準(zhǔn)確反映可能的應(yīng)用情形。

　　汽車半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)多年來使用散熱模型提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)，由其是有限元素分析（finite element analysis; FEA）驗(yàn)證的模型。TI的塬則是先比較散熱建立模型結(jié)果與系統(tǒng)的實(shí)體測(cè)量，以進(jìn)行相關(guān)分析。這些相關(guān)分析著重于潛在誤差，包括材質(zhì)、電源定義及尺寸簡(jiǎn)化。沒有任何模型能夠完全呈現(xiàn)實(shí)際的系統(tǒng)，因此必須注意建立模型期間所做的假設(shè)，以確實(shí)呈現(xiàn)最準(zhǔn)確的系統(tǒng)。

　　對(duì)于材質(zhì)而言，發(fā)佈的數(shù)據(jù)通常呈現(xiàn)特定材料的容積傳導(dǎo)率，不過應(yīng)用材料表面的反應(yīng)會(huì)影響散熱效能。必須注意模型中呈現(xiàn)的功率，因?yàn)檫\(yùn)作期間施加于裝置的功率會(huì)隨著時(shí)間而變化。電路板或系統(tǒng)其他區(qū)域的電源耗損可能也會(huì)影響晶片表面的實(shí)際功率。

　　建立模型類型

　　針對(duì)特定專案的散熱狀況，汽車半導(dǎo)體的散熱模型主要分為四種，可用以了解和驗(yàn)證散熱效能：系統(tǒng)等級(jí)、封裝等級(jí)、晶粒等級(jí)和晶粒暫態(tài)分析。

　　系統(tǒng)層級(jí)散熱建立模型相當(dāng)重要，因?yàn)槟Ｐ涂沙尸F(xiàn)特定裝置在某些系統(tǒng)中運(yùn)作的效能。基本上，汽車半導(dǎo)體散熱建立模型將PCB納入考量，因?yàn)镻CB是大多數(shù)半導(dǎo)體封裝的主要散熱器。PCB的銅層和散熱孔結(jié)構(gòu)都必須包含在散熱模型中，才能準(zhǔn)確判斷散熱行為。如果系統(tǒng)使用嵌入式散熱器之類的元件，及螺絲或鉚釘作金屬連接，都必須納入模型中，以判斷對(duì)于裝置的散熱效能所產(chǎn)生的影響。

　　強(qiáng)制對(duì)流（forced airflow）及PCB周圍的空氣流通對(duì)于系統(tǒng)導(dǎo)熱也相當(dāng)重要。半導(dǎo)體的散熱模型通常是針對(duì)單一高功率裝置，但PCB的其他電源元件對(duì)于系統(tǒng)的整體效能也相當(dāng)重要。若要簡(jiǎn)化這些封裝的輸入，并維持準(zhǔn)確度，通?？墒褂镁?jiǎn)模型。精簡(jiǎn)模型是簡(jiǎn)化的熱阻抗網(wǎng)路，合理估算PCB上的較不重要的裝置所達(dá)到的散熱效能。

　　在低接腳數(shù)的小型裝置中（見圖2），可使用其他方法提升散熱效能。將多個(gè)封裝接腳接在裝置的基座之后，即可大幅改善整體的接點(diǎn)溫度，而不影響裝置的運(yùn)作。

　　圖2：對(duì)于 8 接腳 SOIC 封裝，將多個(gè)接腳接在基座之后，接點(diǎn)溫度最低可達(dá) 25°C。

　　建立模型假設(shè)

　　晶粒分析首先需要準(zhǔn)確呈現(xiàn)硅晶配置，包括晶粒上任何用電的區(qū)域。簡(jiǎn)單來說，可以假設(shè)電源平均分配到晶片的各個(gè)區(qū)域，不過，對(duì)于大多數(shù)的晶片配置而言，皆會(huì)因?yàn)楣δ芏霈F(xiàn)供電不平均的情況，這種現(xiàn)象對(duì)于裝置的整體散熱效能至關(guān)重要。針對(duì)重視散熱功能的裝置而言，必須特別注意晶片的用電結(jié)構(gòu)。

　　在某些散熱軟體程式中，可使用逗號(hào)分隔變數(shù)（.csv）來輸入晶片配置，如圖3所示。如此即可在晶粒配置與散熱模型軟體之間輕鬆傳輸資訊。視裝置的復(fù)雜度及用電量而定，這些用電區(qū)域可能有兩到叁處，甚至數(shù)百處。散熱模型工程人員應(yīng)該與IC設(shè)計(jì)人員密切合作，找出哪些用電區(qū)域應(yīng)該納入散熱模型?？剂垦b置的整體用電時(shí)，通?？梢詫⒂秒娏枯^小的小區(qū)域合併為大區(qū)域，以簡(jiǎn)化散熱模型。在散熱模型中，也可以在晶粒表面使用背景功耗或靜態(tài)功耗，以考量大部份的非重要低功耗晶粒結(jié)構(gòu)。

　　裝置功能通常需要比晶粒上的小區(qū)域更高的電源。這些高用電區(qū)域會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域過熱，溫度明顯比周圍高。相鄰的中度用電晶?？赡茉斐墒軠y(cè)的晶粒出現(xiàn)殘余熱度及熱應(yīng)力，散熱模組也可顯現(xiàn)這些散熱問題。

　　模型也可用于協(xié)助放置或調(diào)整嵌入式溫度感測(cè)器的位置。溫度感測(cè)器適合放在最高用電量的區(qū)域，不過由于配置限制，這通常不可能達(dá)成。如果不放在用電區(qū)域的中央，溫度感測(cè)器無法讀取裝置的實(shí)際最高溫度。散熱模型可用于判斷晶粒上的熱梯度，包括在感測(cè)器的位置。感測(cè)器可加以調(diào)整，以因應(yīng)最高溫區(qū)域與感測(cè)器區(qū)域之間的溫差。

　　假設(shè)前文提及的模型類型全部以穩(wěn)定的DC電源輸入，在實(shí)際運(yùn)作中，裝置電源會(huì)隨著時(shí)間和配置而變動(dòng)。如果設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)解決最不理想的用電情況，散熱負(fù)載將變得相當(dāng)嚴(yán)重。有許多方法可用來觀察暫態(tài)散熱反應(yīng)，最簡(jiǎn)單的方法是假設(shè)晶片上的直流電源，然后追蹤裝置隨時(shí)間變化所呈現(xiàn)的散熱反應(yīng)。第二種方法是輸入不同的電源，然后使用散熱軟體判斷最終的穩(wěn)定狀態(tài)溫度。第叁種最為實(shí)用的暫態(tài)模型建立方法是觀察晶片的不同位置上，電源隨時(shí)間所產(chǎn)生的變化，如圖4所示。使用這種方法，可以了解裝置之間在正常運(yùn)作下無法呈現(xiàn)的互動(dòng)過程。暫態(tài)模型也有助于觀察正常裝置運(yùn)作之外，某個(gè)晶片運(yùn)作的全部過程，例如裝置的通電或斷電模式。

　　圖3：散熱模型軟體使用逗號(hào)分隔變數(shù)輸入產(chǎn)生詳細(xì)的晶粒配置，并顯示晶粒表面的潛在熱點(diǎn)位置。

　　圖4：半導(dǎo)體裝置表面上的散熱反應(yīng)隨著時(shí)間而變化。在此情況下，晶粒的不同區(qū)域是以交錯(cuò)的方式獲得電源。散熱模型可供更密切觀察隨時(shí)間變化的晶粒溫度。

　　在煞車制動(dòng)或安全氣囊配置等許多汽車系統(tǒng)中，裝置用電量在裝置使用壽命期間都相當(dāng)?shù)汀?duì)于安全氣囊系統(tǒng)，電源脈衝會(huì)短時(shí)間升高。

　　改善之道

　　對(duì)于汽車半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，散熱建立模型的目的是設(shè)計(jì)優(yōu)化及降低整體溫度。只要降低運(yùn)作晶片接點(diǎn)溫度，即可提升裝置的可靠性。系統(tǒng)、電路板、封裝或晶粒的小幅度改善能夠大幅改善最終的溫度。但裝置及系統(tǒng)限制可能會(huì)使得其中一些選項(xiàng)無法適用，本文仍列舉系統(tǒng)降溫的幾個(gè)最佳實(shí)務(wù)做法。

　　有許多方法可改善系統(tǒng)或PCB的散熱效能，包括空氣流通、導(dǎo)熱途徑或外部散熱器。提供更多金屬區(qū)域進(jìn)行散熱能夠改善散熱效能，這包括外部散熱器、基座的金屬連接、印刷電路板的更多分層或更密集的銅層、基于散熱用途而連接的銅層及散熱通孔。

　　位于裝置的外露焊墊下方的散熱通孔將裝置內(nèi)部的熱度散出，使得電路板的其他部份加速散熱。半導(dǎo)體裝置封裝的設(shè)計(jì)能夠使晶?？焖賹?duì)外散熱。半導(dǎo)體封裝的散熱改善包括傳導(dǎo)性更高的材料、PowerPAD等直接附加于PCB的做法、接在晶粒座的接腳或外部散熱器的黏接位置。半導(dǎo)體晶粒本身有許多方法可降低整體溫度，降低溫度的最佳方法就是減少用電量。

　　對(duì)于半導(dǎo)體電路設(shè)計(jì)及配置，良好的散熱做法包括擴(kuò)大散熱區(qū)域、找出晶片邊緣外的用電區(qū)域、使用狹長(zhǎng)形用電區(qū)域而非方形區(qū)域，及使高用電量區(qū)域之間有充足的間隔距離。硅本身是熱良導(dǎo)體，導(dǎo)熱性約為117W/mK。只要用電區(qū)域周圍有最多的硅，即可改善裝置的散熱效果。對(duì)于晶粒上的暫態(tài)電源，只要將電源脈衝交錯(cuò)而降低瞬間功耗，使電源脈衝的間隔時(shí)間加長(zhǎng)，讓熱度能夠散出，或者將高用電量元件分配在不同區(qū)域，即可降低整體溫度。

　　這些暫態(tài)變化能夠使散熱系統(tǒng)降溫。只要審慎設(shè)計(jì)晶粒、封裝、PCB及系統(tǒng)，即可大幅改善裝置的散熱效能。

　　本文小結(jié)

　　汽車產(chǎn)業(yè)對(duì)于高可靠度有獨(dú)特的需求。安全、舒適及娛樂方面的車用電子元件數(shù)不斷增加，由于汽車半導(dǎo)體裝置的電子裝置縮小尺寸并增加復(fù)雜度，因此新款裝置的溫度比舊款更高。散熱模型能夠確保充分滿足散熱需求。在設(shè)計(jì)階段早期將晶粒配置及電源優(yōu)化，并且在封裝及系統(tǒng)層級(jí)進(jìn)行散熱改善，設(shè)計(jì)人員即可為客戶提供最佳的設(shè)計(jì)。

　　表 1. 汽車應(yīng)用的環(huán)境溫度上限