徹底攻克汽車半導體設計散熱難題（一）

　　汽車電子產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)使用各種半導體封裝，封裝類型從小型單一功能電晶體，到100多個接腳及特殊散熱功能的復雜電源封裝等。半導體封裝能夠保護晶粒、提供裝置與系統(tǒng)外部被動元件之間的電子連接，并管理散熱。本文將討論半導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。這個晶粒座在構裝期間支撐晶粒，并提供良好的熱導體表面。在汽車產(chǎn)業(yè)中，常用的半導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。在標準接腳封裝概念中（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行：傳導、對流及輻射。對于汽車半導體封裝，散熱的主要是透過傳導至PCB及對流至周圍空氣。輻射佔散熱相當小的比例。

　　圖 1. 標準接腳封裝及 PowerPAD 封裝的散熱及散熱途徑。
為什么散熱建立模型相當重要？

　　為什么建立模型對于散熱相當重要？對于大多數(shù)半導體應用而言，必須使晶?？焖賹ν馍幔苑乐构杈Я＿^熱。硅晶粒的一般運作溫度是105℃~150℃。溫度升高時，容易出現(xiàn)金屬擴散（metal diffusion）的現(xiàn)象，最終導致裝置因短路而故障。晶粒的穩(wěn)定性取決于高溫下運作的時間。雖然硅晶?？蓵簳r承受比表列溫度更高的瞬間高溫，但裝置的可靠度會越來越低，電源需求與溫度限制必須達到平衡，因此散熱模型建立對于汽車應用而言相當重要。

　　表 1. 汽車應用的環(huán)境溫度上限

　　散熱難題

　　在現(xiàn)今汽車的運作、安全及舒適系統(tǒng)中，半導體扮演重要的角色。半導體普片應用在車體電子裝置、安全氣囊、空調(diào)、收音機、方向盤（steering）、被動式開關、防盜系統(tǒng)、胎壓監(jiān)測等。雖然新應用日漸增加，還是可歸結至叁個傳統(tǒng)的環(huán)境需求：駕駛室內(nèi)部、汽車防火墻（panel firewall）及發(fā)動機艙（underhood）。在汽車環(huán)境需求的設計挑戰(zhàn)有叁個關鍵，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用溫度需求高達85℃。第二個環(huán)境是防火墻（firewall）應用，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105℃的環(huán)境溫度。但最嚴苛的是發(fā)動機艙應用，需要在高達125℃的環(huán)境溫度中運作。

　　散熱考量對于安全系統(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用，功率可能在1毫秒內(nèi)達到100W。功能需求增加且過度集中在同一晶粒上，都會使功率提高。特定汽車應用半導體的溫度可能短時間高達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12個安全氣囊。相較于傳統(tǒng)單一安全氣囊，裝設過程造成更大的散熱難題，而高溫會影響重要系統(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機殼逐漸改為塑膠材質(zhì)。塑膠機殼的生產(chǎn)成本較低，而且重量較輕，缺點是散熱效能降低。因為塑膠材質(zhì)的導熱性相當?shù)停橛?.3至1W/mK的範圍內(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，造成半導體裝置的散熱負載增加。