為何需要建立模型 - 徹底攻克汽車半導體設計散熱難題

　　為何需要建立模型？

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

　　封裝層級散熱模型建立能在不需要高成本的開發(fā)和測試狀況下，進一步檢視可能的封裝設計變更，進而免除材料建置。因為半導體封裝設計可以改變，依據(jù)應用需求達到最的散熱效果。在汽車半導體元件中，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連接或基座設計等封裝都是為了達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。封裝材料的導熱性有極大的差異，從0.4W/mK（熱絕緣體）到300W/mK（熱良導體）不等。建立散熱模型有助于兼顧產(chǎn)品成本與效能平衡。

　　建立模型驗證

　　對于重要的系統(tǒng)而言，審慎的實驗數(shù)據(jù)分析可決定散熱效能及運作溫度，但實驗測量這些系統(tǒng)相當費時且耗成本。散熱模型能夠確實符合系統(tǒng)的散熱及運作要求，在半導體產(chǎn)業(yè)中，散熱模型已經(jīng)成為概念測試及硅晶設計過程的前置作業(yè)，理想的散熱模型建立流程會在晶片生產(chǎn)前幾個月進行。積體電路設計人員和散熱工程人員負責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)檢查結果，建立散熱模型，一旦散熱模型結果備齊，設計人員及建立模型工程人員將檢查數(shù)據(jù)并調(diào)整模型，以準確反映可能的應用情形。

　　汽車半導體產(chǎn)業(yè)多年來使用散熱模型提升產(chǎn)品設計，由其是有限元素分析（finite element analysis; FEA）驗證的模型。TI的塬則是先比較散熱建立模型結果與系統(tǒng)的實體測量，以進行相關分析。這些相關分析著重于潛在誤差，包括材質(zhì)、電源定義及尺寸簡化。沒有任何模型能夠完全呈現(xiàn)實際的系統(tǒng)，因此必須注意建立模型期間所做的假設，以確實呈現(xiàn)最準確的系統(tǒng)。

　　對于材質(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率，不過應用材料表面的反應會影響散熱效能。必須注意模型中呈現(xiàn)的功率，因為運作期間施加于裝置的功率會隨著時間而變化。電路板或系統(tǒng)其他區(qū)域的電源耗損可能也會影響晶片表面的實際功率。

　　建立模型類型

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

　　系統(tǒng)層級散熱建立模型相當重要，因為模型可呈現(xiàn)特定裝置在某些系統(tǒng)中運作的效能?；旧?，汽車半導體散熱建立模型將PCB納入考量，因為PCB是大多數(shù)半導體封裝的主要散熱器。PCB的銅層和散熱孔結構都必須包含在散熱模型中，才能準確判斷散熱行為。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，以判斷對于裝置的散熱效能所產(chǎn)生的影響。

　　強制對流（forced ai rflow）及PCB周圍的空氣流通對于系統(tǒng)導熱也相當重要。半導體的散熱模型通常是針對單一高功率裝置，但PCB的其他電源元件對于系統(tǒng)的整體效能也相當重要。若要簡化這些封裝的輸入，并維持準確度，通?？墒褂镁喣Ｐ汀＞喣Ｐ褪呛喕臒嶙杩咕W(wǎng)路，合理估算PCB上的較不重要的裝置所達到的散熱效能。

　　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。將多個封裝接腳接在裝置的基座之后，即可大幅改善整體的接點溫度，而不影響裝置的運作。

　　圖2：對于 8 接腳 SOIC 封裝，將多個接腳接在基座之后，接點溫度最低可達 25°C。

　　建立模型假設

　　晶粒分析首先需要準確呈現(xiàn)硅晶配置，包括晶粒上任何用電的區(qū)域。簡單來說，可以假設電源平均分配到晶片的各個區(qū)域，不過，對于大多數(shù)的晶片配置而言，皆會因為功能而出現(xiàn)供電不平均的情況，這種現(xiàn)象對于裝置的整體散熱效能至關重要。針對重視散熱功能的裝置而言，必須特別注意晶片的用電結構。

　　在某些散熱軟體程式中，可使用逗號分隔變數(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該與IC設計人員密切合作，找出哪些用電區(qū)域應該納入散熱模型?？剂垦b置的整體用電時，通?？梢詫⒂秒娏枯^小的小區(qū)域合併為大區(qū)域，以簡化散熱模型。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構。

　　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)域會導致該區(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的晶粒出現(xiàn)殘余熱度及熱應力，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)整嵌入式溫度感測器的位置。溫度感測器適合放在最高用電量的區(qū)域，不過由于配置限制，這通常不可能達成。如果不放在用電區(qū)域的中央，溫度感測器無法讀取裝置的實際最高溫度。散熱模型可用于判斷晶粒上的熱梯度，包括在感測器的位置。感測器可加以調(diào)整，以因應最高溫區(qū)域與感測器區(qū)域之間的溫差。

　　假設前文提及的模型類型全部以穩(wěn)定的DC電源輸入，在實際運作中，裝置電源會隨著時間和配置而變動。如果設計散熱系統(tǒng)解決最不理想的用電情況，散熱負載將變得相當嚴重。有許多方法可用來觀察暫態(tài)散熱反應，最簡單的方法是假設晶片上的直流電源，然后追蹤裝置隨時間變化所呈現(xiàn)的散熱反應。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作下無法呈現(xiàn)的互動過程。暫態(tài)模型也有助于觀察正常裝置運作之外，某個晶片運作的全部過程，例如裝置的通電或斷電模式。