随着汽车迎来全面电气化，全自动驾驶将成为车辆设计和制造的下一个重大转变。但即使在今天，基於先进驾驶辅助系统（ADAS）的半自动驾驶也已经显着增加了电子控制单元（ECU）的数量，这些ECU管理着各种应用，包括来自外部感测器和车载摄影机的数据融合。

这些控制单元的功耗正随着数据处理量和处理速度的增加而上升。这些新增的控制单元需要使用稳压器，功率输出从几瓦（用於管理停车辅助感测器的ECU）到上百瓦（用於处理多个影片流的ECU）不等。

发热是功率消耗过程中不可避免的??作用，它限制了元件在PCB上放置的紧密程度，因为需要避免过热；而这尤其会给电动汽车OEM厂商带来困扰，因为空间和重量的增加会对续航里程产生负面影响。

在汽车应用中，有效的热管理对於高功率降压转换至关重要。鉴於传统底部散热（BSC）技术的局限性，我们需要采用新的解决方案才能应对功率密度不断提高的问题。本文讨论顶部散热（TSC）作为一种创新的元件封装技术能够如何帮助解决多馀热量的散热问题，从而在更小、更轻的汽车中实现更高的功率密度。

底部散热

目前，高功率应用中的大多数表面贴装元件（SMD）都采用BSC来散发矽晶片的热量。SMD封装底部的金属焊盘通过板通孔连接到PCB下方的散热片。然而这种方法存在一些潜在的缺陷：

● PCB 自身?部的温升，可能会对安?在 PCB 附近的其他?件的运行产生负面影响。

● 如果长时间处於高温下，PCB 可能会发生分层现象，导致系?使用寿命缩短。

图一 : 采用底部散热的 SMD：热量经由过孔和 PCB 流动

顶部散热

顶部散热（TSC）是一种替代方法，提供更直接的散热路径，可以优化从功率半导体元件到散热片的热传递。与BSC相比，TSC可以将热性能提高多达70％，从而降低系统工作温度并提高效率，这对於汽车应用中的高功率降压转换至关重要。除了出色的热性能之外，TSC还为PCB设计提供了多项额外优势。

图二 : 采用顶部散热的 SMD：无需散热孔

提高机械稳定性

将散热片直接连接到封装顶部，可显着减小机械应力，降低对元件或电路板造成损坏的风险，从而提高可靠性并延长组件的使用寿命。

更紧凑的设计

TSC可实现比风冷更紧凑的电路板设计，因为风冷要求设备有足够的空间容纳风扇或其他散热设备。因此，TSC元件可以减小整体系统的尺寸和重量，这对於空间受限的汽车应用至关重要。

在 PCB 面积有限的实际 ECU 中，组件产生的大部分热量都会从外壳溢出。TSC 封装非常适合这类情况，其顶部有一个裸露焊盘直接接触外壳，使大部分热量从顶部溢出，而且相比之下，只有少部分热量从底部流过 PCB，因而不会显着升高 PCB 的温度。上下两端同时散热可延长 PCB 的使用寿命，并且增强系统可靠性。

了解热物理量

在讨论元件的热行为时，了解如何对热量流动进行建模会很有帮助。热导率是一种不受形状和尺寸影响的材料特性。它描述了物体内部导热的能力，非常适用於比较不同的材料。

热阻抗描述材料对热量流动的阻力程度。材料的厚度会影响热阻抗，较薄的材料相比较於较厚的材料，可传递更多的热量。热阻抗与材料的形状、尺寸、厚度和压力有关。这是一个更实用的物理量，考虑了表面平整度和应用中组件所承受的应力等变数。将散热片连接到元件时所施加的扭矩会影响热阻抗，压缩程度越高，热阻抗越低。

比较 DC-DC 转换器中的 BSC 和 TSC 性能

为了比较具有不同散热机制的元件的性能，安森美（onsemi）使用了100瓦降压转换器原型板，并在所有PCB层中使用大面积铜进行优化，使TSC和BSC元件具有相似的热性能。

虽然此测试设置并不等同於实际应用，例如带散热鳍片的定制铝外壳内一个复杂的ECU的电源，但足以证明不同叁数对MOSFET温度的影响，包括散热片热阻和间隙焊盘的厚度。

测试结果也显示，将散热片安装在热源（DC-DC转换器中的低侧MOSFET）顶部或PCB的另一侧都可以实现类似的热性能，前提是PCB布局经过热优化，所有层上都有散热孔和大面积铜，以促进热量流过电路板。此外，TSC MOSFET上的裸露焊盘应直接连接到散热片，以最大限度地减少流入PCB的热量。

图三 : 采用 TSC（左）和 BSC（右）的测试板

测量结果

对於此测试设置，无论是将散热片安装在TSC MOSFET的顶部，还是将散热片安装在经过热优化且使用BSC MOSFET的PCB的底部，MOSFET温度（Tc）仅存在微细差别（小於3。C）。与在20A负载电流下完全不使用散热片相比，无论是采用TSC还是BSC，MOSFET温度都大致如下：

● 使用 60mm散热片可降低 30。C

● 使用 25 mm散热片可降低 15 至 20。C

● 使用 10 mm散热片可降低 10。C

结果显示，带有散热片的TSC MOSFET的热性能，与安装在经过热优化的PCB上且周围组件密度较低的BSC MOSFET类似。然而，如果需要最大限度地减少流入PCB的热量，则采用顶部暴露焊盘的MOSFET更合适，因为安装在封装顶部的散热片的热阻抗较低。

TSC 提供散热以外的优势

安森美提供用於汽车应用的TSC MOSFET，例如NVMJST0D9N04C，它采用TCPAK57封装，尺寸仅为5mm x 7mm，顶部具有16.5mm²的散热焊盘，可将热量直接发散到散热片，而不是PCB中。通过使用PCB的上下两端进行散热并减少流入电路板的热量，TCPAK57封装有助於增加功率密度、提升可靠性，并延长系统的整体使用寿命。

（本文作者Ramiro Gascon为安森美产品线经理）