隨著汽車迎來全面電氣化，全自動駕駛將成為車輛設計和製造的下一個重大轉變。但即使在今天，基於先進駕駛輔助系統（ADAS）的半自動駕駛也已經顯著增加了電子控制單元（ECU）的數量，這些ECU管理著各種應用，包括來自外部感測器和車載攝影機的數據融合。

這些控制單元的功耗正隨著數據處理量和處理速度的增加而上升。這些新增的控制單元需要使用穩壓器，功率輸出從幾瓦（用於管理停車輔助感測器的ECU）到上百瓦（用於處理多個影片流的ECU）不等。

發熱是功率消耗過程中不可避免的副作用，它限制了元件在PCB上放置的緊密程度，因為需要避免過熱；而這尤其會給電動汽車OEM廠商帶來困擾，因為空間和重量的增加會對續航里程產生負面影響。

在汽車應用中，有效的熱管理對於高功率降壓轉換至關重要。鑒於傳統底部散熱（BSC）技術的局限性，我們需要採用新的解決方案才能應對功率密度不斷提高的問題。本文討論頂部散熱（TSC）作為一種創新的元件封裝技術能夠如何幫助解決多餘熱量的散熱問題，從而在更小、更輕的汽車中實現更高的功率密度。

底部散熱

目前，高功率應用中的大多數表面貼裝元件（SMD）都採用BSC來散發矽晶片的熱量。SMD封裝底部的金屬焊盤通過板通孔連接到PCB下方的散熱片。然而這種方法存在一些潛在的缺陷：

● PCB 自身?部的溫升，可能會對安?在 PCB 附近的其他?件的運行產生負面影響。

● 如果長時間處於高溫下，PCB 可能會發生分層現象，導致系?使用壽命縮短。

圖一 : 採用底部散熱的 SMD：熱量經由過孔和 PCB 流動

頂部散熱

頂部散熱（TSC）是一種替代方法，提供更直接的散熱路徑，可以優化從功率半導體元件到散熱片的熱傳遞。與BSC相比，TSC可以將熱性能提高多達70％，從而降低系統工作溫度並提高效率，這對於汽車應用中的高功率降壓轉換至關重要。除了出色的熱性能之外，TSC還為PCB設計提供了多項額外優勢。

圖二 : 採用頂部散熱的 SMD：無需散熱孔

提高機械穩定性

將散熱片直接連接到封裝頂部，可顯著減小機械應力，降低對元件或電路板造成損壞的風險，從而提高可靠性並延長組件的使用壽命。

更緊湊的設計

TSC可實現比風冷更緊湊的電路板設計，因為風冷要求設備有足夠的空間容納風扇或其他散熱設備。因此，TSC元件可以減小整體系統的尺寸和重量，這對於空間受限的汽車應用至關重要。

在 PCB 面積有限的實際 ECU 中，組件產生的大部分熱量都會從外殼溢出。TSC 封裝非常適合這類情況，其頂部有一個裸露焊盤直接接觸外殼，使大部分熱量從頂部溢出，而且相比之下，只有少部分熱量從底部流過 PCB，因而不會顯著升高 PCB 的溫度。上下兩端同時散熱可延長 PCB 的使用壽命，並且增強系統可靠性。

了解熱物理量

在討論元件的熱行為時，了解如何對熱量流動進行建模會很有幫助。熱導率是一種不受形狀和尺寸影響的材料特性。它描述了物體內部導熱的能力，非常適用於比較不同的材料。

熱阻抗描述材料對熱量流動的阻力程度。材料的厚度會影響熱阻抗，較薄的材料相比較於較厚的材料，可傳遞更多的熱量。熱阻抗與材料的形狀、尺寸、厚度和壓力有關。這是一個更實用的物理量，考慮了表面平整度和應用中組件所承受的應力等變數。將散熱片連接到元件時所施加的扭矩會影響熱阻抗，壓縮程度越高，熱阻抗越低。

比較 DC-DC 轉換器中的 BSC 和 TSC 性能

為了比較具有不同散熱機制的元件的性能，安森美（onsemi）使用了100瓦降壓轉換器原型板，並在所有PCB層中使用大面積銅進行優化，使TSC和BSC元件具有相似的熱性能。

雖然此測試設置並不等同於實際應用，例如帶散熱鰭片的定製鋁外殼內一個複雜的ECU的電源，但足以證明不同參數對MOSFET溫度的影響，包括散熱片熱阻和間隙焊盤的厚度。

測試結果也顯示，將散熱片安裝在熱源（DC-DC轉換器中的低側MOSFET）頂部或PCB的另一側都可以實現類似的熱性能，前提是PCB佈局經過熱優化，所有層上都有散熱孔和大面積銅，以促進熱量流過電路板。此外，TSC MOSFET上的裸露焊盤應直接連接到散熱片，以最大限度地減少流入PCB的熱量。

圖三 : 採用 TSC（左）和 BSC（右）的測試板

測量結果

對於此測試設置，無論是將散熱片安裝在TSC MOSFET的頂部，還是將散熱片安裝在經過熱優化且使用BSC MOSFET的PCB的底部，MOSFET溫度（Tc）僅存在微細差別（小於3°C）。與在20A負載電流下完全不使用散熱片相比，無論是採用TSC還是BSC，MOSFET溫度都大致如下：

● 使用 60mm散熱片可降低 30°C

● 使用 25 mm散熱片可降低 15 至 20°C

● 使用 10 mm散熱片可降低 10°C

結果顯示，帶有散熱片的TSC MOSFET的熱性能，與安裝在經過熱優化的PCB上且周圍組件密度較低的BSC MOSFET類似。然而，如果需要最大限度地減少流入PCB的熱量，則採用頂部暴露焊盤的MOSFET更合適，因為安裝在封裝頂部的散熱片的熱阻抗較低。

TSC 提供散熱以外的優勢

安森美提供用於汽車應用的TSC MOSFET，例如NVMJST0D9N04C，它採用TCPAK57封裝，尺寸僅為5mm x 7mm，頂部具有16.5mm²的散熱焊盤，可將熱量直接發散到散熱片，而不是PCB中。通過使用PCB的上下兩端進行散熱並減少流入電路板的熱量，TCPAK57封裝有助於增加功率密度、提升可靠性，並延長系統的整體使用壽命。

（本文作者Ramiro Gascon為安森美產品線經理）