【導讀】有幾種方法可有效改善當今分立半導體在設計時(shí)遇到的高溫問(wèn)題。仿真技術(shù)對于衡量各種方法的工作情況至關(guān)重要。
眾所周知，半導體芯片溫度是不斷上升的。其產(chǎn)生的熱量會(huì )導致性能和功能出現嚴重問(wèn)題。如圖1所示，對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(cháng)。
支持散熱的熱設計有很多種方法，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)現代熱設計方法來(lái)解決。
分立半導體器件溫度不斷上升的背后有幾個(gè)原因。一個(gè)是由于電子設備尺寸減小而導致的自散熱減少；另一個(gè)是由于高密度板組裝導致的環(huán)境工作溫度升高。此外，追求更高速度的運行，也伴隨著(zhù)發(fā)熱的增加。
緩解熱問(wèn)題的設計對策
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計，因為所產(chǎn)生的大部分熱量將通過(guò)熱傳導分散到PCB的頂部和底部表面以及內部結構。增加層數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(xiàn)層、TIM和過(guò)孔
使用銅布線(xiàn)層可顯著(zhù)提高電路板本身的導熱性。此外，增加布線(xiàn)層厚度可進(jìn)一步增加有效散熱的表面積，從而增強電路板的整體導熱性。
當多個(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。雖然擴大器件的間隔會(huì )有所幫助，但距離過(guò)遠會(huì )產(chǎn)生邊際效應。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到周?chē)鷧^域。
仿真不同方法的效果
上述所有方法對于解決發(fā)熱問(wèn)題的能力并非完全相同，其有效性可能會(huì )因設計條件的不同而有很大差異。因此，東芝進(jìn)行了仿真2，以評估各種熱設計方法的效果以及產(chǎn)生最佳結果的參數。
有關(guān)模型和仿真細節的更多詳細信息，請參閱應用說(shuō)明《分立半導體器件熱設計提示和技巧》第2部分3。請注意，這些仿真的好處之一是有機會(huì )使用通過(guò)物理測量所無(wú)法實(shí)現的模型和條件。
本次用于評估該熱設計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FR4）的發(fā)射率來(lái)模擬正面所存在的阻焊劑。戰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PCB厚度約為1.6mm。仿真中使用的標準PCB建模為四層，銅用作布線(xiàn)材料，所有銅布線(xiàn)厚度設置為70μm以進(jìn)行評估。
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(xiàn)上。放置在銅布線(xiàn)下方的過(guò)孔建模為內部過(guò)孔；外圍的過(guò)孔則用作通孔。除了被參數化時(shí)，所有仿真都使用具有相同形狀長(cháng)方體建模的散熱器。
對于熱干擾模型，將三個(gè)相同器件放置在公共漏極布線(xiàn)上，并使用與前述單一器件仿真相同尺寸的PCB。
對于所有模型，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(xiàn)和器件之間以及（2）放置在銅布線(xiàn)和散熱器之間，以評估TIM的效果。
仿真結果
如圖3所示，仿真精度在±5%的可接受范圍內。
圖3.MOSFET測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。仿真結果表明，當PCB層數從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VS芯片溫度
PCB布線(xiàn)厚度
將布線(xiàn)厚度從70μm增加到105μm，芯片溫度降低了6%。
散熱器尺寸
對于沒(méi)有散熱器的設計，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(zhù)增加了成本。
熱干擾
對于一排三個(gè)器件，間隔為3mm時(shí)，芯片溫度增加3%；但是當間隔為12mm時(shí)，溫度沒(méi)有增加。
TIM
對于較小的表面積，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到周?chē)鷧^域。
東芝半導體解決方案
并非所有表貼式封裝都能提供同等的熱設計和性能，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)施完善熱設計方法的半導體元件。東芝可以進(jìn)行簡(jiǎn)化的熱仿真，幫助您更好地了解設計的溫度分布，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計中的熱問(wèn)題。
來(lái)源：All About Circuits官網(wǎng)，作者：Toshiaki Hosoya
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