为什么散热建立模型相当重要 - 彻底攻克汽车半导体设计散热难题

　　为什么散热建立模型相当重要？

　　为什么建立模型对于散热相当重要？对于大多数半导体应用而言，必须使晶粒快速对外散热，以防止硅晶粒过热。硅晶粒的一般运作温度是105℃~150℃。温度升高时，容易出现金属扩散（metal diffusion）的现象，最终导致装置因短路而故障。晶粒的稳定性取决于高温下运作的时间。虽然硅晶粒可暂时承受比表列温度更高的瞬间高温，但装置的可靠度会越来越低，电源需求与温度限制必须达到平衡，因此散热模型建立对于汽车应用而言相当重要。

　　

　　表 1. 汽车应用的环境温度上限

　　散热难题

　　在现今汽车的运作、安全及舒适系统中，半导体扮演重要的角色。半导体普片应用在车体电子装置、安全气囊、空调、收音机、方向盘（steering）、被动式开关、防盗系统、胎压监测等。虽然新应用日渐增加，还是可归结至叁个传统的环境需求：驾驶室内部、汽车防火墙（panel firewall）及发动机舱（underhood）。在汽车环境需求的设计挑战有叁个关键，就是环境高温、高功率及特定材料散热性质。

　　高温

　　汽车环境中特别是，车体可能出现极高的温度。一般消费性电子产品温度约为25℃，上限约为70℃。然而在车内乘客座舱环境中，内部电子装置或面板应用温度需求高达85℃。第二个环境是防火墙（firewall）应用，其中的电子装置位于引擎与汽车驾驶舱之间。位于此区域的装置可能接触高达105℃的环境温度。但最严苛的是发动机舱应用，需要在高达125℃的环境温度中运作。

　　散热考量对于安全系统特别重要，例如方向盘（steering）、安全安全气囊及防锁死（anti-lock）剎车。在煞车及安全安全气囊应用，功率可能在1毫秒内达到100W。功能需求增加且过度集中在同一晶粒上，都会使功率提高。特定汽车应用半导体的温度可能短时间高达175℃至185℃，而这也是汽车装置的因过热而失去功能的上限。

　　安全功能增加，散热需求也随之增加。举例来说，十多年来安全安全气囊一直是汽车常见的配备，现在有些汽车配备高达12个安全气囊。相较于传统单一安全气囊，装设过程造成更大的散热难题，而高温会影响重要系统的可靠度。

　　材质

　　和其他产业一样，汽车组装也寻求降低成本。塬先金属材质的模组和PCB机壳逐渐改为塑胶材质。塑胶机壳的生产成本较低，而且重量较轻，缺点是散热效能降低。因为塑胶材质的导热性相当低，介于0.3至1W/mK的範围内，因此成为热绝缘体。改用塑胶材质不利于系统散热，由于系统散热的效率降低，造成半导体装置的散热负载增加。