热建模解决汽车芯片设计散热问题

在前围板应用中，电子器件位于发动机舱和汽车车厢之间，器件可能暴露在高达105℃的环境温度下。而发动机舱应用需要工作在高达125℃的环境温度下。

散热考虑在与安全相关的系统中特别重要，如动力方向盘、气囊和防抱死制动系统。在制动和气囊应用中，功率等级有可能在短时间(1ms)内高达100W。

不断增加的功能要求以及集成的众多资源推动裸片功率不断提升。一些车用半导体的裸片温度在短时间内可以高达175℃至185℃。这个温度对汽车器件而言通常是热关断门限。

随着更多安全性能的增加，散热要求也越来越高。虽然十多年来气囊在汽车中已经很常见，但现在有些汽车的气囊数量多达12个。在实际部署中，多个气囊要求按顺序操作，因此与单个传统气囊相比将产生艰巨得多的散热设计挑战。

对于材料属性的散热挑战，尽可能降低汽车组件成本已经不是什么秘密。塑料原料正在大量取代金属模块和PCB外壳。塑料外壳具有生产成本更低的优点，而且重量更轻。但是，与更低成本和更轻重量相对应的是散热性能降低。

塑料原料具有非常低的热导率，大约在0.3至1W/mK的范围内，因此它们实质上是热绝缘体。毫无疑问，改成塑料外壳将妨碍系统的散热，增加半导体器件的热负载。

为何建模？

在汽车半导体行业，建模工作主要集中在单个器件的热性能和设计。通常认为小心简化可以获得建模数据。

系统级简化(例如从模型中删除无关的低功耗器件)使用简化的而非详细的PCB铜布线，或假设机箱在固定温度下散热，都可以用来简化散热模型以实现快速建模。此外，经过这些简化仍能精确再现热阻网络。

封装级热建模可以用来评估潜在的封装设计变化，而不需要高成本的开发和测试工作，从而无需考虑材料构造。半导体封装设计可以根据应用需求进行改变，从而实现最佳的散热效果。

采用像PowerPAD这样的裸焊盘封装后，热量可以迅速从裸片散发到PCB。更大的裸片焊盘，与PCB更好的连接或改善裸片焊盘设计都可以改善器件的散热性能。

热建模技术还能用来检查器件中潜在的材料改变带来的影响。封装材料的热导率变化范围很大，从低至0.4W/mK(热绝缘体)到超过300W/mK(良好热导体)。使用热建模技术有助于平衡产品成本和性能之间的关系。

建模的验证

对于关键系统，仔细进行实验室分析可以确定热性能和工作温度。不过，对这些系统进行实验室测量非常耗时，代价也很高。此时热建模技术就是有助于解决系统散热需求并满足操作要求的有力工具。

在半导体行业，热建模已经成为概念测试和硅裸片设计过程中的早期组成部分。理想的热建模流程在制造裸片前几个月就开始了。IC设计工程师和热分析工程师将评估器件的裸片版图和功耗。

接着，热建模工程师基于上述评估结果创建热模型。一旦热模型建成，设计工程师和建模工程师就会检查数据并调整模型，以准确反映可能的应用情景。

强烈推荐进行所有有限元分析(FEA)建模验证。TI公司的策略是进行相关性研究，比较热建模结果和系统的物理性测量结果。

这些相关性研究可以凸显多个潜在出错的领域，包括材料属性、功率定义和布局简化。虽然没有模型能够完美复制真实的系统，但必须仔细斟酌建模过程中作出的假设，以确保最精确的系统描述。

在材料属性方面，经公布的数值通常表明了特定材料的整体热导率。但在半导体应用中经常使用薄层材料，而材料表面积增加时将导致热导率下降(相对同样的体积值)。

特别要注意模型中描述的功耗，因为在工作期间器件的输入功率随时间是不断变化的。电路板上或系统中其它地方的功耗可能也会影响裸片表面的真实功耗。

建模类型

目前有4种主要的热模型可用于半导体封装设计：系统级、封装级、裸片级和裸片级瞬态分析。在汽车半导体领域，系统级热建模尤其重要，因为它能说明一个特定器件将如何在特定系统中运作。

一般来说，汽车半导体热建模要把PCB考虑进去，因为PCB是大部分半导体封装的主要散热器。包括铜层和散热过孔在内的PCB各组成部分应加入热模型，以便准确地确定热行为分析。此外，还应包含所有独特的物理形状，如嵌入式散热器、类似螺丝或铆钉等金属连接件等。

系统和PCB周围的强制空气流动在系统对流散热中也发挥着重要作用。通常半导体行业的热建模对象是单个大功率器件。但PCB上的其它功率器件对系统总体性能也有很大影响。

简化这些封装的输入同时仍然保持一定的精度级别通常要求采用紧凑模型。紧凑模型是复杂度较低的热阻网络，可以提供这些非关键器件的热性能的合理近似值。

在更小和引脚数量更少的器件中，可以用其它方法改善热性能(图2)。例如，将多个封装引线熔化到器件的裸片焊盘上可以极大地改善总体结温，并且不会影响器件正常工作。

建模假设

裸片级热分析从对硅裸片布局的精确描述开始，包括裸片上的所有耗电区域。在简单案例中都是假设功率被均匀地分布在硅片上。

但是，大部分裸片布局在整个裸片上的功率分布是不均匀的，具体取决于功能。这种不均匀的功率分布对器件的总体热性能而言非常关键。针对需要良好散热的器件，需要对裸片上的功率结构分布倍加关注。