使用@@分立半导体@@器件的热管理@@设计@@ | 电子@@创新@@188足彩外围@@app 网@@

judy -- 周一@@, 04/03/2023 - 15:02

作者@@：Toshiaki Hosoya,来源@@：All About Circuits官网@@@@

有几种方法可有效改善当@@今分立半导体@@在设计时@@遇到@@的高温问题@@。仿真技术@@对于衡量各种方法的工作情况至关重要@@。

众所周知@@，半导体芯片温度@@是不断上升的@@。其产生的热量会导致性能和@@功能出现严重问题@@。如图@@@@1所示@@，对于能够提供最佳热性能的表贴式封装@@产品的需求日益增长@@。

支持散热的热设计有很多种方法@@，但哪种方法的效果@@最好呢@@？

图@@1.该@@仿真中@@PKG3明显是发热问题的根源@@，这可以通过现代热设计方法来解决@@

分立半导体@@器件温度不断上升的背后有几个原因@@。一个是由于电子@@设备@@尺寸减小而导致的自散热减少@@；另一个是由于高密度板组装导致的环境工作温度升高@@。此外@@，追求更高速度的运行@@，也伴随着发热的增加@@。

缓解热问题的设计对策@@

有几种缓解温度问题的方法@@1。例如@@，多层@@PCB将@@影响电子@@器件的热设计@@，因为所产生的大部分@@热量将@@通过热传导分散到@@@@PCB的顶部和@@底部表面以及内部结构@@。增加层数@@可以有效提高@@功率耗散@@。然而这种方法主要在用上@@4到@@8层时@@@@才会高效@@，同时@@@@也会带来成本上升@@。

直接在@@PCB上安装散热器也可以散发@@PCB板上元器件产生的热量@@。但是散热量直接取决于散热器尺寸@@和@@散热器发射率@@@@。

加大散热器的尺寸看似可以有效加强散热@@，但同时@@@@必须考虑到@@尺寸和@@成本限制的平衡@@。用阳极氧化铝进行表面处理是提高@@散热器发射率@@的有效措施@@，但同样也受到@@成本的限制@@。

布线层@@、TIM和@@过孔@@

使用@@铜布线层@@可显著提高@@电路板本身的导热性@@。此外@@，增加布线层@@厚度可进一步增加有效散热的表面积@@，从而增强电路板的整体导热性@@。

当@@多个发热器件排成一排时@@@@，热干扰@@尤其明显@@。如果两个器件靠太近@@，则发热问题更大@@。虽然扩大器件的间隔会有所帮助@@，但距离过远会产生边际效应@@。另一个因素是@@TIM（热干扰@@材料@@）。使用@@较薄的@@TIM将@@有助于更有效的散热@@，但如果涉及到@@较小的电磁波干扰@@，其优化会更具挑战性@@。

过孔是@@PCB中用于在印刷电路板的各层之间建立电起连接的孔@@。位于漏极框架下方的内部过孔可非常有效地散热@@。同时@@@@，盲孔虽然散热效率不高@@，但可以很好地防止热量传导到@@周围区域@@。

仿真不同方法的效果@@@@

上述所有方法对于解决发热问题的能力并非完全相同@@，其有效性可能会因设计条件的不同而有很大差异@@。因此@@，东芝进行了仿真@@2，以评估@@各种热设计方法的效果@@以及产生最佳结果的参数@@。

有关模型和@@仿真细节的更多详细信息@@，请参阅应用说明@@《分立半导体@@器件热设计提示和@@技巧@@》第@@2部分@@3。请注意@@，这些仿真的好处之一是有机会使用@@通过物理测量所无法实现的模型和@@条件@@。

本次用于评估该@@热设计的器件模型使用@@东芝的@@SOP Advance4、TSON Advance5、和@@DSOP Advance6芯片封装@@@@，如下图@@@@2所示@@。

图@@2.通用仿真模型@@

PCB建模为@@2英寸正方形@@，仅对背面的阻焊剂进行建模@@。通过增加电路板材料@@（例如@@玻璃环氧树脂@@FR4）的发射率来模拟正面所存在的阻焊剂@@。战略性地选择该@@方法以降低表面网@@格的密度@@，同时@@@@保持与阻焊剂相同的效果@@@@。

基于最常用的@@PCB，该@@PCB厚度约为@@1.6mm。仿真中使用@@的标准@@PCB建模为@@四层@@，铜用作布线材料@@，所有铜布线厚度@@设置为@@70μm以进行评估@@。

过孔和@@散热器建模@@

过孔的建模为@@@@0.25 mm见方的热通孔@@，放置在封装@@中作为主要热路径的漏极布线上@@。放置在铜布线下方的过孔建模为@@内部过孔@@；外围的过孔则用作通孔@@。除了被参数化时@@@@，所有仿真都使用@@具有相同形状长方体建模的散热器@@。

对于热干扰@@模型@@，将@@三个相同器件放置在公共漏极布线上@@，并使用@@与前述单一器件仿真相同尺寸的@@PCB。

对于所有模型@@，使用@@TIM的物理特性值相同@@，且仅用过孔作为其厚度@@。将@@TIM（1）放置在铜布线和@@器件之间以及@@（2）放置在铜布线和@@散热器之间@@，以评估@@TIM的效果@@。

仿真结果@@

如图@@@@3所示@@，仿真精度在@@±5%的可接受范围内@@。

图@@3.MOSFET测得温度和@@模拟温度的比较@@

多层@@PCB

多层@@PCB的效果@@如图@@@@@@4所示@@。仿真结果@@表明@@，当@@PCB层数@@从@@4层增加到@@@@@@8层时@@@@，芯片温度@@降低了@@7%。主要问题在于成本增加@@。

图@@4.PCB层数@@VS芯片温度@@

PCB布线厚度@@

将@@布线厚度@@从@@70μm增加到@@@@105μm，芯片温度@@降低了@@6%。

散热器尺寸@@

对于没有散热器的设计@@，添加@@1cm高的散热器会使芯片温度@@降低@@12%。如果采用高度为@@2cm的散热器建模@@，将@@使得板温度降低@@19%。这种特定方法比仅依靠@@PCB散热更为有效@@。

散热器发射率@@

通过用阳极氧化铝处理表面@@，散热器的发射率可以从@@0.04增加到@@@@0.8。当@@实施这种散热器时@@@@，芯片温度@@降低了@@12%。虽然这种表面处理会非常有效@@，但显著增加了成本@@。

热干扰@@

对于一排三个器件@@，间隔为@@3mm时@@，芯片温度@@增加@@3%；但是当@@间隔为@@@@12mm时@@，温度没有增加@@。

TIM

对于较小的表面积@@，使用@@较薄的@@TIM比较有益@@；但如果是较大的表面积@@，情况就不同了@@。

漏极框架下方的过孔@@

经证明@@，与没有过孔的@@PCB相比@@，在漏极框架下方放置过孔非常有效@@。当@@添加@@三个过孔时@@@@，芯片温度@@降低了@@9%，而添加@@五个过孔时@@@@，芯片温度@@降低了@@12%。

外部过孔@@

与没有过孔的@@PCB相比@@，增加六个过孔使得芯片温度@@降低@@7%，而增加十个过孔则使得芯片温度@@降低@@10%。但值得注意的是@@，外部过孔@@的效果@@不如放在漏极框架下方的过孔@@@@。另一方面@@，使用@@外部过孔@@确实有一个很好的好处@@：它们可以防止热量传导到@@周围区域@@。

东芝半导体解决方案@@

并非所有表贴式封装@@都能提供同等的热设计和@@性能@@，这就是东芝积极开发能提供优异热性能的封装@@解决方案的原因@@，包括@@MOSFET封装@@7、SOP Advance封装@@8和@@仿真中使用@@的@@TO-247封装@@9。

东芝拥有采用了先进封装@@和@@实施完善热设计方法的半导体@@188足彩外围@@app 。东芝可以进行简化的热仿真@@，帮助您更好地了解设计的温度分布@@，并找到@@有效的方法以最大限度降低温度@@。联系他们@@，了解东芝如何帮助您解决设计中的热问题@@。