使用分立半导体器件的热管理设计

作者：Toshiaki Hosoya

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元件。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。