使用分立半導體器件的熱管理設計

轉載自All About Circuits官網，作者Toshiaki Hosoya

有幾種方法可有效改善當今分立半導體在設計時遇到的高溫問題。仿真技術對于衡量各種方法的工作情況至關重要。

眾所周知，半導體芯片溫度是不斷上升的。其產生的熱量會導致性能和功能出現嚴重問題。如圖1所示，對于能夠提供最佳熱性能的表貼式封裝產品的需求日益增長。

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明顯是發熱問題的根源，這可以通過現代熱設計方法來解決。

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

緩解熱問題的設計對策

有幾種緩解溫度問題的方法1。例如，多層PCB將影響電子器件的熱設計，因為所產生的大部分熱量將通過熱傳導分散到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層時才會高效，同時也會帶來成本上升。

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

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

布線層、TIM和過孔

使用銅布線層可顯著提高電路板本身的導熱性。此外，增加布線層厚度可進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。

當多個發熱器件排成一排時，熱干擾尤其明顯。如果兩個器件靠太近，則發熱問題更大。雖然擴大器件的間隔會有所幫助，但距離過遠會產生邊際效應。另一個因素是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，其優化會更具挑戰性。

過孔是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孔可非常有效地散熱。同時，盲孔雖然散熱效率不高，但可以很好地防止熱量傳導到周圍區域。

仿真不同方法的效果

上述所有方法對于解決發熱問題的能力并非完全相同，其有效性可能會因設計條件的不同而有很大差異。因此，東芝進行了仿真2，以評估各種熱設計方法的效果以及產生最佳結果的參數。

有關模型和仿真細節的更多詳細信息，請參閱應用說明《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使用通過物理測量所無法實現的模型和條件。

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行建模。通過增加電路板材料（例如玻璃環氧樹脂FR4）的發射率來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格的密度，同時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，銅用作布線材料，所有銅布線厚度設置為70μm以進行評估。

過孔和散熱器建模

過孔的建模為0.25 mm見方的熱通孔，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孔建模為內部過孔；外圍的過孔則用作通孔。除了被參數化時，所有仿真都使用具有相同形狀長方體建模的散熱器。

對于熱干擾模型，將三個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。

對于所有模型，使用TIM的物理特性值相同，且僅用過孔作為其厚度。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，芯片溫度降低了7%。主要問題在于成本增加。

圖4.PCB層數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

對于沒有散熱器的設計，添加1cm高的散熱器會使芯片溫度降低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。

散熱器發射率

通過用陽極氧化鋁處理表面，散熱器的發射率可以從0.04增加到0.8。當實施這種散熱器時，芯片溫度降低了12%。雖然這種表面處理會非常有效，但顯著增加了成本。

熱干擾

對于一排三個器件，間隔為3mm時，芯片溫度增加3%；但是當間隔為12mm時，溫度沒有增加。

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。

漏極框架下方的過孔

經證明，與沒有過孔的PCB相比，在漏極框架下方放置過孔非常有效。當添加三個過孔時，芯片溫度降低了9%，而添加五個過孔時，芯片溫度降低了12%。

外部過孔

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

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，這就是東芝積極開發能提供優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封裝和實施完善熱設計方法的半導體元件。東芝可以進行簡化的熱仿真，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。聯系他們，了解東芝如何幫助您解決設計中的熱問題。

審核編輯：湯梓紅