使用分立半導(dǎo)體器件的熱管理設(shè)計(jì)

有幾種方法可有效改善當(dāng)今分立半導(dǎo)體在設(shè)計(jì)時(shí)遇到的高溫問(wèn)題。仿真技術(shù)對(duì)于衡量各種方法的工作情況至關(guān)重要。

眾所周知，半導(dǎo)體芯片溫度是不斷上升的。其產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致性能和功能出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題。如圖1所示，對(duì)于能夠提供最佳熱性能的表貼式封裝產(chǎn)品的需求日益增長(zhǎng)。

支持散熱的熱設(shè)計(jì)有很多種方法，但哪種方法的效果最好呢？

圖1.該仿真中PKG3明顯是發(fā)熱問(wèn)題的根源，這可以通過(guò)現(xiàn)代熱設(shè)計(jì)方法來(lái)解決。

分立半導(dǎo)體器件溫度不斷上升的背后有幾個(gè)原因。一個(gè)是由于電子設(shè)備尺寸減小而導(dǎo)致的自散熱減少；另一個(gè)是由于高密度板組裝導(dǎo)致的環(huán)境工作溫度升高。此外，追求更高速度的運(yùn)行，也伴隨著發(fā)熱的增加。

緩解熱問(wèn)題的設(shè)計(jì)對(duì)策

有幾種緩解溫度問(wèn)題的方法1。例如，多層PCB將影響電子器件的熱設(shè)計(jì)，因?yàn)樗a(chǎn)生的大部分熱量將通過(guò)熱傳導(dǎo)分散到PCB的頂部和底部表面以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。增加層數(shù)可以有效提高功率耗散。然而這種方法主要在用上4到8層時(shí)才會(huì)高效，同時(shí)也會(huì)帶來(lái)成本上升。

直接在PCB上安裝散熱器也可以散發(fā)PCB板上元器件產(chǎn)生的熱量。但是散熱量直接取決于散熱器尺寸和散熱器發(fā)射率。

加大散熱器的尺寸看似可以有效加強(qiáng)散熱，但同時(shí)必須考慮到尺寸和成本限制的平衡。用陽(yáng)極氧化鋁進(jìn)行表面處理是提高散熱器發(fā)射率的有效措施，但同樣也受到成本的限制。

布線層、TIM和過(guò)孔

使用銅布線層可顯著提高電路板本身的導(dǎo)熱性。此外，增加布線層厚度可進(jìn)一步增加有效散熱的表面積，從而增強(qiáng)電路板的整體導(dǎo)熱性。

當(dāng)多個(gè)發(fā)熱器件排成一排時(shí)，熱干擾尤其明顯。如果兩個(gè)器件靠太近，則發(fā)熱問(wèn)題更大。雖然擴(kuò)大器件的間隔會(huì)有所幫助，但距離過(guò)遠(yuǎn)會(huì)產(chǎn)生邊際效應(yīng)。另一個(gè)因素是TIM（熱干擾材料）。使用較薄的TIM將有助于更有效的散熱，但如果涉及到較小的電磁波干擾，其優(yōu)化會(huì)更具挑戰(zhàn)性。

過(guò)孔是PCB中用于在印刷電路板的各層之間建立電起連接的孔。位于漏極框架下方的內(nèi)部過(guò)孔可非常有效地散熱。同時(shí)，盲孔雖然散熱效率不高，但可以很好地防止熱量傳導(dǎo)到周圍區(qū)域。

仿真不同方法的效果

上述所有方法對(duì)于解決發(fā)熱問(wèn)題的能力并非完全相同，其有效性可能會(huì)因設(shè)計(jì)條件的不同而有很大差異。因此，東芝進(jìn)行了仿真2，以評(píng)估各種熱設(shè)計(jì)方法的效果以及產(chǎn)生最佳結(jié)果的參數(shù)。

有關(guān)模型和仿真細(xì)節(jié)的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱應(yīng)用說(shuō)明《分立半導(dǎo)體器件熱設(shè)計(jì)提示和技巧》第2部分3。請(qǐng)注意，這些仿真的好處之一是有機(jī)會(huì)使用通過(guò)物理測(cè)量所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的模型和條件。

本次用于評(píng)估該熱設(shè)計(jì)的器件模型使用東芝的SOP Advance4、TSON Advance5、和DSOP Advance6芯片封裝，如下圖2所示。

圖2.通用仿真模型

PCB建模為2英寸正方形，僅對(duì)背面的阻焊劑進(jìn)行建模。通過(guò)增加電路板材料（例如玻璃環(huán)氧樹(shù)脂F(xiàn)R4）的發(fā)射率來(lái)模擬正面所存在的阻焊劑。戰(zhàn)略性地選擇該方法以降低表面網(wǎng)格的密度，同時(shí)保持與阻焊劑相同的效果。

基于最常用的PCB，該P(yáng)CB厚度約為1.6mm。仿真中使用的標(biāo)準(zhǔn)PCB建模為四層，銅用作布線材料，所有銅布線厚度設(shè)置為70μm以進(jìn)行評(píng)估。

過(guò)孔和散熱器建模

過(guò)孔的建模為0.25 mm見(jiàn)方的熱通孔，放置在封裝中作為主要熱路徑的漏極布線上。放置在銅布線下方的過(guò)孔建模為內(nèi)部過(guò)孔；外圍的過(guò)孔則用作通孔。除了被參數(shù)化時(shí)，所有仿真都使用具有相同形狀長(zhǎng)方體建模的散熱器。

對(duì)于熱干擾模型，將三個(gè)相同器件放置在公共漏極布線上，并使用與前述單一器件仿真相同尺寸的PCB。

對(duì)于所有模型，使用TIM的物理特性值相同，且僅用過(guò)孔作為其厚度。將TIM（1）放置在銅布線和器件之間以及（2）放置在銅布線和散熱器之間，以評(píng)估TIM的效果。

仿真結(jié)果

如圖3所示，仿真精度在±5%的可接受范圍內(nèi)。

圖3.MOSFET測(cè)得溫度和模擬溫度的比較

多層PCB

多層PCB的效果如圖4所示。仿真結(jié)果表明，當(dāng)PCB層數(shù)從4層增加到8層時(shí)，芯片溫度降低了7%。主要問(wèn)題在于成本增加。

圖4.PCB層數(shù)VS芯片溫度

PCB布線厚度

將布線厚度從70μm增加到105μm，芯片溫度降低了6%。

散熱器尺寸

對(duì)于沒(méi)有散熱器的設(shè)計(jì)，添加1cm高的散熱器會(huì)使芯片溫度降低12%。如果采用高度為2cm的散熱器建模，將使得板溫度降低19%。這種特定方法比僅依靠PCB散熱更為有效。

散熱器發(fā)射率

通過(guò)用陽(yáng)極氧化鋁處理表面，散熱器的發(fā)射率可以從0.04增加到0.8。當(dāng)實(shí)施這種散熱器時(shí)，芯片溫度降低了12%。雖然這種表面處理會(huì)非常有效，但顯著增加了成本。

熱干擾

對(duì)于一排三個(gè)器件，間隔為3mm時(shí)，芯片溫度增加3%；但是當(dāng)間隔為12mm時(shí)，溫度沒(méi)有增加。

TIM

對(duì)于較小的表面積，使用較薄的TIM比較有益；但如果是較大的表面積，情況就不同了。

漏極框架下方的過(guò)孔

經(jīng)證明，與沒(méi)有過(guò)孔的PCB相比，在漏極框架下方放置過(guò)孔非常有效。當(dāng)添加三個(gè)過(guò)孔時(shí)，芯片溫度降低了9%，而添加五個(gè)過(guò)孔時(shí)，芯片溫度降低了12%。

外部過(guò)孔

與沒(méi)有過(guò)孔的PCB相比，增加六個(gè)過(guò)孔使得芯片溫度降低7%，而增加十個(gè)過(guò)孔則使得芯片溫度降低10%。但值得注意的是，外部過(guò)孔的效果不如放在漏極框架下方的過(guò)孔。另一方面，使用外部過(guò)孔確實(shí)有一個(gè)很好的好處：它們可以防止熱量傳導(dǎo)到周圍區(qū)域。

東芝半導(dǎo)體解決方案

并非所有表貼式封裝都能提供同等的熱設(shè)計(jì)和性能，這就是東芝積極開(kāi)發(fā)能提供優(yōu)異熱性能的封裝解決方案的原因，包括MOSFET封裝7、SOP Advance封裝8和仿真中使用的TO-247封裝9。

東芝擁有采用了先進(jìn)封裝和實(shí)施完善熱設(shè)計(jì)方法的半導(dǎo)體元件。東芝可以進(jìn)行簡(jiǎn)化的熱仿真，幫助您更好地了解設(shè)計(jì)的溫度分布，并找到有效的方法以最大限度降低溫度。聯(lián)系他們，了解東芝如何幫助您解決設(shè)計(jì)中的熱問(wèn)題。

來(lái)源：All About Circuits官網(wǎng)，作者：Toshiaki Hosoya