热分析与热设计技术
热与冷都会对电路造成负面影响。在极高温下，芯片可能烧毁（图1）。更常见的情况是，如果你的设计达到未曾预料的温度，很多部件都可能超出规定极限。当出现这种情况时，电路就可能表现出难以预料的行为。另外一个情况也同样值得关注，即电路温度从热到冷，然后又从冷到热。这种状况会造成热冲击，也会毁坏元件。很多工程师并不关心自己的电路在低温下的性能，但这种忽视是一个错误。半导体器件的性能在低温下会发生显著变化。双极晶体管的基射结电压在低温下会大大升高（图 2 和参考文献 1）。Analog Devices 产品开发工程经理 Francisco Santos 说：“如果你要设计一个能够在负温度下工作于1.8V的放大器，就要考虑当从室温降到-40℃时，VBE（基射电压）会增加 130mV。这种情况将迫使设计者采用一组完全不同的放大器架构。”
很多放大器，如Analog Devices 的AD8045，在冷却时会加速（图3），而有些放大器（如AD8099）则在变冷时会降速。已退休的Linear Technology 信号处理产品前副总裁兼总经理Bill Gross称：“双极晶体管在低温下遇到的多数麻烦是低电压工作。”他认为，较高的基射电压和较小的电流增益都更难于满足规格要求。他说：“较低的输入阻抗和b（电流增益）的不匹配都会造成低温下的大问题。尤其是当它们为室温运行作了调整时。较高的gm（跨导）很容易通过改变工作电流而得到补偿，但这样的话转换速率就会变化。”
低温会造成振荡、不稳定、过冲，以及不良的滤波性能。百万分之几测量法可以改变你的元件在高温和低温下的值。如果你预计IC内核工作在 -55℃ ~ +85℃，则在25℃环境下只需60℃就到了最高温度上限，而从环境温度到-55℃是80℃温差。所以，要查明你的错误就应检查热与冷两种情况。Kettering大学（密歇根州 Flint）电气工程教授James McLaughlin认为，当你将硅片加热超过数百度时，它会“本质化”。换句话说，温度足够高时，掺杂物会通过晶格作迁移，不再存在 PN 结，而只是一块不纯的导电硅片。那么连接线是否会爆炸？还是硅片继续加热至熔融，直至挥发掉？
IC 在较高温度下运行时的损坏难以捉摸。美国国家半导体公司的顾问和前产品工程师 Martin DeLateur 指出，在高于 165℃的温度时，模塑材料开始碳化。此时，模塑材料会转变成为一种坚硬的灰色材料。释气，即某些材料捕捉、冷冻、吸收或吸附的气体的缓慢释放，会造成聚合添加物如阻燃剂的释放。在低电平下，这种释气可以影响一片 IC 的长期和短期运行，因为它给芯片增加了离子或表面效应。连接线可能传输过高的电流，也会造成模塑材料的碳化。过高的电流会使碳管硬化，它可能使连接线熔化，从而保持管内导电状态。最后，更高的热扩张会使钝化层、内核，或碳化模制化合物产生开裂，导致大规模故障。（军用规范将过高电流定义为超过 1.2×105A/cm2，因此军队强烈要求 IC 采用全密封的封装。）当内核上没有塑料材料时，就不会发生烧焦和退化现象。油井仪器公司经常以 200℃对使用在自己产品中的硅 IC 进行测试并确定其特性。这些产品寿命有限，但工作时间仍比它们采用塑料封装的情况要长得多。即使内核温度低于150℃，IC的寿命周期也会缩短。
1884 年，荷兰化学家 Jacobus H van't Hoff 率先提出了 Arrhenius 方程，而瑞典化学家 Svante Arrhenius 则在五年后对其作了物理验证和解释。这个方程是：k=Ae(-Ea/RT)，其中k是速率系数，A 是一个常量，Ea 是活化能量，R 是普适气体常数，而 T 是以。k为单位的温度。Arrhenius 最初将该方程用于化学反应，描述反应速度随温度而加快（参考文献2与参考文献 3）。今天的工程师们也用它描述电子器件在高温下工作时的较短寿命。方程表明，温度每升高 10℃，器件的寿命减半。因此，降低设计中硅片的温度很重要。如果你能将 IC 温度从 85℃降低到 65℃，这些元件的寿命就能增加四倍。
问题的根源不仅出自热或冷的静态状态，也可能是出在一个温度到另一个温度的转变过程中。在极端情况下，热冲击会将电路板和器件裂成碎片。温度梯度（会产生小电压误差）也可以由于焊接材料和管脚材料的热电偶效应而产生麻烦（参考文献4）。此外，温度梯度本身可以是动态变化的。已故的 Bob Widlar是一位开创型的电子工程师，曾就职于美国国家半导体、Fairchild、Maxim和Linear Technology，他曾收到过一个在1 kHz 时坏掉的原型硅片。Widlar 认为热波来自于输出晶体管的辐射。这些热波会通过硅内核均匀散播。问题是，这片 IC 有两个基准节点，它与输出晶体管的距离不相等。在 1 kHz 工作频率下，基准节点之一处于一个热谷中，而另一个则位于一个热峰。这种情况会导致偏置电流的不均衡，使器件无法正常工作。由于这些热梯度，有些电源设计者更喜欢用控制器，而不是内置功率 FET 的IC。使用控制器时，FET 的热量不会流过相同内核、放大器和基准电路。
热分析电路的热分析分三个步骤。首先估计IC中产生的热量。然后，估计电路板或散热片散掉的热量。最后，估计部件将要运行的环境温度（图4）。在估计元件产生的热量时，DC分析通常没什么价值。一只电压为1V、流过 1A 电流的电阻器，会产生1W的热量。但是，要估计交流或未确定的信号所产生的热量就比较麻烦。首先，从电源端到接地脚的静态电流总是在耗散一个直流功率。一个采用10V电源和5mA静态电流的器件会产生50mW热量。但是，在运行中，该静态电流可能有所变化。偏置电流和基极驱动电流通常在遇到交流信号时会增加。最大的挑战是计算出器件输出电流所产生的热量。这种估算可能并不简单。一只器件为一个负载提供的功率是可变化的，但是，如果输出晶体管是常开或常闭状态，则器件内部消耗的功率就相对较小。如大多数放大器所使用的传统图腾柱输出级，输出一个满摆幅方波时发热并不是最大。IC 内最糟的发热情况是器件输出一个方波，其振幅是电源范围的一半。如果器件工作在±12V电压，则±6Vp-p的方波就会在输出级产生最大的热量。正弦波输出的内部发热较低。如果信号很复杂或者比较乱，则很难估计IC内真实的最差情况下发热状况。如有含有大电容和大电感元件的电抗性负载，则功耗估计工作会更加复杂。因为电压和电流不是同相位，因此有关半振幅方波的简单假设也不可行。
如果你能确定IC通过信号的特性，就可以用Spice来估算功耗。此时必须保证使用恰当的Spice模型，它们对一些测试信号给出合理的结果，而功耗计算此时没有价值。图5 表示一个Spice图。芯片的功耗不同于到达负载
的功率。图 6 是图 5 示意图的 Spice 曲线图。它以红线表示启动的振荡。电路是否会发生这种振荡只是个人的猜测，但它应该会使你在建立原型后查看这种行为。记住，在 Orcad Capture 上点击 W 键只能显示芯片的静态功耗。要获得工作时的功耗，要用示意图上的功率标记，然后用曲线程序的 rms-math 函数，给出器件的平均功耗。
电路板或散热器会通过对流、传导或辐射方式，将 IC 的热量散发出去。传导散热主要是通过金属引线框和电路板上铜箔。一旦电路板铜箔或分立散热片传导出热量，就为对流散热提供了足够将热量散播到空气中的表面积。辐射很难是一种散热的可行方法。卫星设计者采用辐射方式，因为没有其它方法可以去除系统中的热量。由于空间的辐射温度接近于绝对零度，因此存在足够大的温差，使大量的热能可以传输到空间中，使卫星上的电子设备不会过热烧毁。
对流散热也有一些困难。例如，气流对商用散热片的影响（图7）。注意，在高温下，热阻会增加五倍。使用强制风冷的散热片有较薄、间距更近的鳍片，比如一款风扇式CPU冷却器。如果你的产品没有风扇，则 IC 产生的热量会传导和散播出来，然后传送到机内的空气中。接下来，随着整个机器温度的上升，热量通过对流传送给周围的空气，如果你把机器放在腿上，则部分热量也会传导过来。外壳材料的热阻就变得很重要。热量从内向外的传送速度，塑料壳要慢于金属壳。
做喷气战斗机非机舱电子设备的工程师知道，一架喷气飞机要飞到高达7 万英尺的高空。在这个高度，空气非常稀薄，对流冷却是无效的。这些系统有一个带乙二醇冷却通道的冷板，确保冷板温度不高于 80℃。每个部件都与一个金属散热器保持物理接触，散热器将元件热量传送至电路板的边沿。在电路板的边沿，一个传热的夹钳系统将这个散热器压紧在机壳的一侧。机壳的侧面将热量传给机壳所在的冷板。导热油脂可保证将最多的热量传送给冷板，并确保从 IC 到散热片的最大传导。
多数电子工程师都很熟悉用热阻作为一种热分析技术。热阻的表示单位
是每瓦摄氏度。只需简单地乘以第一步估计的瓦数，就可以获得部件将增加的温度（摄氏度）。但这里需注意几个问题，要查看部件数据表上有关热阻规格的隐藏信息。从内核到外壳的热阻ΦJC 不是一个有用的测量值。半导体制造商的 IC 或封装设计者可能关心的是当热量从内核流至外壳时IC 的温升，但你需要更多的信息。你在数据表上经常看到的下一个规格是从节点到外界的热阻ΦJA。该值表示的是当部件未连散热片或未焊到 PCB（印制电路板）上时的温升。德州仪器的 Darvin Edwards 指出，ΦJA 对多数试图预测结温的工程师来说是没有用处的。他说：“有用的是从内核到电路板的热阻（ΦJB），以及从内核到封装表面的热阻（ΦJC）。我们用两个 JEDEC（联合电子设备工程委员会）标准电路板测量ΦJA，让工程师们看到它并不是一个封装常量。一个电路板是单面的，另一个是多层电路板。如果你有ΦJB 和ΦJC 规格，就有更好的机会来估计 IC 的真实温升。”他还指出，工程师们必须记住ΦJA 测量时电路板上没有其它芯片。当 IC 周围有电源和其它散发热量的芯片时，以及当电路板处于一个空间有限的无风扇塑料外壳中时，实际温升会高于ΦJA 测量给出的值（图 8）。还要记住，多数 IC 的塑料顶面都几乎不传送热量。环氧树脂塑料的热传导能力为 0.6W/mK ～ 1W/mK（米-开尔文），而铜的导热能力是 400W/mK。因此，铜的导热能力比塑料高400倍 ~600倍，重要的是PCB设计要实现热传导的最大化。
估算电路板散热还有更多的复杂方法。美国国家半导体的 Webench 在线设计工具采用 Flomerics 的 Flotherm 热分析软件，计算静止空气中的器件温度。所有一般的仿真注意事项均适用。如果你的电路有风扇和一些气流，其温升就较低。如果有机箱，里面还有其它器件，其温升就高。Flomerics 采用有限元方案技术（参考文献5）。图 9 显示了一个计算机机壳发热与气流的分析结果。很多其它有限元解算器也可以分析这种问题。例如，Comsol 的一个解算器可以完成多重物理分析，可以解算超过一个问题的偏微分方程，如一只部件的热响应，部件的导热性能随其温度而变化。TI 的 Edwards 指出，他的公司提供二种级别的热建模抽象：ΦJB 热阻，以及 Delphi 紧凑模型标准。Flotherm、Icepak 和很多其它热分析程序都使用这些模型。
图 9 一个计算机机壳发热与气流的分析结果
热分析中的最后一步是估计环境温度，这步十分重要。一辆采用风冷引擎的摩托车在驾驶时会遇到周围环境的某种温升。如果环境空气升高10℃，则气缸头温度也会上升。电子系统也一样。例如，实验室空气为25℃，工作台上的芯片工作在 50℃。当将这些芯片放到 50℃的环境温度下，芯片的温度将达到 75℃。在这个热分析步骤中，工程师们有时无法确定器件可能要运行的环境情况。除了简单的运行以外，这些部件还必须能存留下来。例如，汽车厂用于车身重新喷漆的烤炉会使所有电子设备暴露在高温下，超过汽车在使用寿命中遇到的温度。部件能耐过这种条件，因为汽车制造商在这个过程中不会给它们通电。很多工程师无法判断环境会达到何种极端境地。我们都知道，外层空间中的卫星温度可以低至只比绝对零度高几度，而当它们从太阳阴影中移出时则会达到摄氏几百度。
地球上也存在着挑战性的环境。美国尼桑公司测试开发工程师 Bruce Robinson 在亚利桑那州的汽车沙漠试验场工作。他说，尼桑一般估算的最高温度如下：白天环境温度 46℃，车内空气温度 81℃，仪表板表面最高温
度 111℃，车内元件温度 82℃。换句话说，你可以在仪表板上烧开水。如果你设计车用电子设备，一定要考虑到这些。
无疑，当大多数工程师没有理解环境温度的嵌套程度时，他们就会失败。例如，假设要设计一个部件，用于 CD 播放机的光学拾取装置（图 10）。你可能会这么假设，由于该部件用于消费产品，它可能工作在 0℃ ~ 70℃。但好好想想吧。实验室工作台上的部件可能是工作在25℃环境下。而光功率件是要安装在 CD 驱动器里，驱动器中有其它元件在加热空气，该装置可能不装风扇。更糟糕的是，播放机装在计算机内，驱动器必须工作在这种环境温度下。计算机内部有自己的热源和风扇，这个温度上再加上外部环境温度，因此，在工作台上测得的25℃室温，到了计算机内就是40℃，CD驱动器内是50℃。现在，如果你把计算机放在厄瓜多尔的一个很热的阁楼上，情况又该如何？这个部件必须工作在远高于70℃的环境温度下。你的职责是确保它
仍能满足规范，并且高温不会显著缩短产品的寿命。
现实情况
终于完成了设计估算和 Spice 仿真，但在开发过程中的某些时间内，还必须面临设计内容的现实性。现实性包括以正确的形式将电路原型化、安装和最后修整。然后，你可以动用各种测量技术，来验证迄今用到的所有美妙理论。重要的是尽可能近似地重现预期的工作环境。你应优先确定电路是否会被破坏，接下来电路是否会保持良好状态，最后，电路能否在所有条件下都如预期一样运行。
你可能还记得1998年9月2日瑞士航空公司111航班的空难事件，原因是不良设计和安装的机载娱乐系统（参考文献6）。机载娱乐网络路连线的电弧引着了绝缘层上的可燃覆盖物，并快速蔓延到其它可燃材料。如果生产该系统的小型企业设计者坚持在乘客舱所处的 8000 英尺高度作测试，他们就会知道磁盘驱动头过于靠近母板，整个系统的热量都难以消除。TI 的 Edwards 指出，在1 万英尺高空，系统的对流冷却能力减少 20%。验证与现实相关的所有工程假设是保证设计能够实现电气性能和热性能的唯一方法。瑞士航空公司 111 航班机载系统的设计者忽略了这种实际检查，因而229名乘客失去了生命。
所有工程师都有两种重要的测量设备，即他们的触觉和嗅觉。大多数人都非常熟悉电子元件烧熔的刺鼻气味。有良好嗅觉能力的人甚至能闻到一只芯片接近70℃ 时发出的微妙气味。另外也可以在不含致命电压的电路中很好地使用触觉功能，如果能将手指在部件上放住5秒钟以上，则部件温度就低于70℃。多数人会过高地估计自己手指感受到的热量，通常，他们会把只有50℃的温度估计为70℃。如果你润湿手指，再擦过部件，而部件发出嘶嘶声，那么你就有麻烦了，因为任何部件温度高于100℃都是坏消息。同样，实验室工作台的环境温度是最有利的环境。热设计 https://www.resheji.com
当你完成了粗略估计后，还必须做一些实际测量。多数 DVM（数字电压计）都有可以连接热电偶的配件。Fluke 和其它供应商制造的手持仪器可以用到两只热电偶，用于测量芯片温度及其周围的环境温度。你应该测量 IC 的温度比环境温度升高的量。National Instruments、IO Tech 和很多其它数据采集设备制造商都可以帮助你用几百种热电偶、热敏电阻和铂 RTD（电阻温度探测器）传感器建立测量系统。对于传感器的尺寸和线缆的规格要特别小心。当测量一只小型 IC 时，热电偶的导线也会传导热量，就像散热器一样，这种传导降低了测得的温度。很多制造商还提供非接触式 IR（红外）探测器，但当使用这些设备时，应注意你所测量表面的发射率。“发射率”是一个表面热辐射的一种量度，即一个物体辐射出的能量与一个“黑体”（或热黑体表面）辐射热量之比。一个黑体是一个完美的热能辐射器，它辐射出所有吸收的能量，发射率为 1。作为比较，发射率为 0 的材料将是一种完美的热反射镜（参考文献 7）。一个光亮的金属外壳有低的发射率，因此产生低于实际温度的读数。经平滑处理黑漆表面的发射率为 1，这就是 IR 探测器测得的值。如要让电子设备实现 1 的发射率，可以用经过平滑处理的黑漆喷涂表面，或在金属外壳上放一块透明带，使发射率值接近于 1
即使当器件在电路中工作时，许多聪明的半导体制造商都会自己测量内核本身温度，他们用的是一片IC 的每个输入、输出和控制脚上都有的 ESD（静电放电）二极管（图11）。你可以将这种方法用于有复位或 CS（片选）脚的IC，也可以用多个其它脚作测量。由于二极管的正向压降与电流成正比，你可以将芯片放入烤箱，使小电流通过 ESD 二极管。业内很多人认为，100mA 的电流不会造成二极管的任何自热现象。你不需要为部件加电来测量二极管电压，你可以用电源脚上或接地脚下的任何输入或输出脚。管脚内部的 ESD 二极管会将该脚箝位在大约 0.6V。如果是复位脚，它需要在部件工作时保持高电平，则将该脚上拉到电源脚。当烤箱温度上升时，ESD 二极管的正向压降从大约 0.7 V降到 0.53V。同样，如果多余管脚是片选脚，它必须在 IC 工作时保持为低电平，则可以将该脚拉低到接地脚，并从 ESD 二极管获得数据。如果该脚是输出脚，则要与制造商联络，以确认没有外部电流会妨碍全部 100mA 电流穿过二极管。你必须对每种 IC 测量这个数据，不同工艺有不同的电压/过温关系。当你准备对电路中运行IC作测量时，在管脚注入100mA使其升至VCC以上，或从该脚拉出 100mA，将其降到接地以下。然后，就可以测量电压差，并推算内核的温度。
ESD方法虽有价值，但也有限制。如果IC提供数百毫安电流，则在VCC或接地的金属线和连接线内部就会有电压降。这些电压降可能对ESD二极管电压的测量值有增、减作用。你应该向应用小组，甚至 IC 设计者咨询是否会出现这种情况。为抵消电压降，可以在测量时停止供电。注意硅片的发热时间常数是微秒级，因此你必须用一台快速示波器或采集系统测量，保证测到的不是二极管已经冷却后的ESD二极管正向电压。
有关ESD二极管方法的另一个担心是，IC芯片并不是等温的，即它们在空间和时间上都不具备相等或恒定温度。测量ESD二极管时并不能永远保证测到的是内核的最热点。这里关注的是ESD二极管，它总是在芯片的边沿，低于输出晶体管的温度。你可以获得IC工作时的IR热成像图（图12）。图中明亮的白点比ESD 二极管所在的内核边沿高 25℃。当器件工作在高温下时，可能需要降级使用（参考文献8）。在 150℃时，器件可能不能满足电路的要求。
还有一种与 ESD 二极管技术等值的方法，可测量 FET 的温度，即使 FET 正在工作。这种方法利用了一种现象，即 FET 导通电阻与其温度成正比。FET 的温度越高，导通电阻就越大。通过记录各种温度下的导通电阻，就可以在 FET 工作在导通状态时测量其上的电压和通过的电流，从而推算出 FET 的温度。这种方法甚至可以用于电源芯片中集成的 FET。记住自热总是电子电路中的一个隐蔽的现象，因此，当在烤箱中获取导通电阻数据的时候，必须为 FET 加一个短暂的快速上升脉冲电流，以保证内核与烤箱有相同的温度。
做测量只是检查真实情况，验证自己的假设与估算的一个部分。如果没有可用的环境温度，你还必须自己创造出来。汽车公司会在亚利桑那州和加拿大做跟
踪测试，对于电子测试，采用台面测试室或温度强制系统，如Thermonics的T-2500E型（图13）。要确保使用的电缆和测试线可以承受热量。Brown BNC电缆有较高的额定温度，优于更常用的黑色U58型线（参考文献9）。热风枪的快速气流就可以加热 IC，但要小心，IC 可能很容易被热风枪毁坏。制冷喷雾器某种程度上比较安全，但也有在电路上结霜造成电路短路的缺点。测试室可以建立大气环境，包括温度、压力和湿度，你需要用这三方面来完全模拟实际的环境。
总之，必须在设计电子系统时牢记热设计的危险，小心可以毁掉设计的外部影响。与增加自有电路的其它工程师作交流，这些电路会增加或减少你电路中的热量。同样重要的是与小组中的机械工程师交流热问题。他们可能是你确保良好热设计的最佳伙伴。如果经理准备去掉风扇，并将外壳从金属改为塑料时，你应该准备好热电偶和测试室，向他表明这不是个好主意。
参考文献
1. Pease, Bob, "What's All This VBE Stuff, Anyhow?".
2. "What Causes Semiconductor Devices to Fail?" Test & Measurement World, Nov 1, 1999.
3. Osterman, Michael, PhD, "We still have a headache with Arrhenius," Electronics Cooling.
4. Williams, Jim, "Measurement techniques help hit the 1-ppm mark," EDN, April 26, 2001, pg 117.
5. Rako, Paul, "Beyond Spice," EDN, Jan 18, 2007, pg 41.
6. Stoller, Gary, "Doomed plane's gaming system exposes holes in FAA oversight," USA Today, Feb 16, 2003.
7. www .x26 .com/irpaper_emissivity.htm.
8. "Thermal Techniques, Apex AN11," Apex Microtechnology.
9. Kirkwood, A, and Eric Albrecht, "Coaxial Cable Types".
热设计资料下载： 热分析与热设计技术.pdf
标签： 点击： 评论:
