徹底攻克汽車半導(dǎo)體設(shè)計(jì)散熱難題（一）

　　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，必須使晶粒快速對(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)停橛?.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。