- 用熱阻來計算芯片的溫度。
- ESD二極管和溫度探頭有助測量熱量
- 熱成像相機可以揭示設(shè)計中隱藏的問題
- Spice與有限元分析軟件在熱設(shè)計中很有用
多數(shù)電子工程師都很熟悉用熱阻作為一種熱分析技術(shù)。熱阻的表示單位是每瓦攝氏度。只需簡單地乘以第一步估計的瓦數(shù)，就可以獲得部件將增加的溫度（攝氏度）。但這里需注意幾個問題，要查看部件數(shù)據(jù)表上有關(guān)熱阻規(guī)格的隱藏信息。從內(nèi)核到外殼的熱阻ΦJC不是一個有用的測量值。半導(dǎo)體制造商的IC或封裝設(shè)計者可能關(guān)心的是當熱量從內(nèi)核流至外殼時IC的溫升，但你需要更多的信息。你在數(shù)據(jù)表上經(jīng)常看到的下一個規(guī)格是從節(jié)點到外界的熱阻ΦJA。該值表示的是當部件未連散熱片或未焊到PCB（印制電路板）上時的溫升。
德州儀器的DarvinEdwards指出，ΦJA對多數(shù)試圖預(yù)測結(jié)溫的工程師來說是沒有用處的。他說：“有用的是從內(nèi)核到電路板的熱阻（ΦJB），以及從內(nèi)核到封裝表面的熱阻（ΦJC）。我們用兩個JEDEC（聯(lián)合電子設(shè)備工程委員會）標準電路板測量ΦJA，讓工程師們看到它并不是一個封裝常量。一個電路板是單面的，另一個是多層電路板。如果你有ΦJB和ΦJC規(guī)格，就有更好的機會來估計IC的真實溫升。”他還指出，工程師們必須記住ΦJA測量時電路板上沒有其它芯片。當IC周圍有電源和其它散發(fā)熱量的芯片時，以及當電路板處于一個空間有限的無風扇塑料外殼中時，實際溫升會高于ΦJA測量給出的值（圖8）。還要記住，多數(shù)IC的塑料頂面都幾乎不傳送熱量。環(huán)氧樹脂塑料的熱傳導(dǎo)能力為0.6W/mK～1W/mK（米-開爾文），而銅的導(dǎo)熱能力是400W/mK。因此，銅的導(dǎo)熱能力比塑料高400倍~600倍，重要的是PCB設(shè)計要實現(xiàn)熱傳導(dǎo)的最大化。
估算電路板散熱還有更多的復(fù)雜方法。
美國國家半導(dǎo)體的Webench在線設(shè)計工具采用Flomerics的Flotherm熱分析軟件，計算靜止空氣中的器件溫度。所有一般的仿真注意事項均適用。如果你的電路有風扇和一些氣流，其溫升就較低。如果有機箱，里面還有其它器件，其溫升就高。Flomerics采用有限元方案技術(shù)（參考文獻5）。圖9顯示了一個計算機機殼發(fā)熱與氣流的分析結(jié)果。很多其它有限元解算器也可以分析這種問題。例如，Comsol的一個解算器可以完成多重物理分析，可以解算超過一個問題的偏微分方程，如一只部件的熱響應(yīng)，部件的導(dǎo)熱性能隨其溫度而變化。TI的Edwards指出，他的公司提供二種級別的熱建模抽象：ΦJB熱阻，以及Delphi緊湊模型標準。Flotherm、Icepak和很多其它熱分析程序都使用這些模型。
熱分析中的最后一步是估計環(huán)境溫度，這步十分重要。一輛采用風冷引擎的摩托車在駕駛時會遇到周圍環(huán)境的某種溫升。如果環(huán)境空氣升高10℃，則氣缸頭溫度也會上升。電子系統(tǒng)也一樣。例如，實驗室空氣為25℃，工作臺上的芯片工作在50℃。當將這些芯片放到50℃的環(huán)境溫度下，芯片的溫度將達到75℃。在這個熱分析步驟中，工程師們有時無法確定器件可能要運行的環(huán)境情況。除了簡單的運行以外，這些部件還必須能存留下來。例如，汽車廠用于車身重新噴漆的烤爐會使所有電子設(shè)備暴露在高溫下，超過汽車在使用壽命中遇到的溫度。部件能耐過這種條件，因為汽車制造商在這個過程中不會給它們通電。很多工程師無法判斷環(huán)境會達到何種極端境地。我們都知道，外層空間中的衛(wèi)星溫度可以低至只比絕對零度高幾度，而當它們從太陽陰影中移出時則會達到攝氏幾百度。
地球上也存在著挑戰(zhàn)性的環(huán)境。美國尼桑公司測試開發(fā)工程師BruceRobinson在亞利桑那州的汽車沙漠試驗場工作。他說，尼桑一般估算的最高溫度如下：白天環(huán)境溫度46℃，車內(nèi)空氣溫度81℃，儀表板表面最高溫度111℃，車內(nèi)元件溫度82℃。換句話說，你可以在儀表板上燒開水。如果你設(shè)計車用電子設(shè)備，一定要考慮到這些。
無疑，當大多數(shù)工程師沒有理解環(huán)境溫度的嵌套程度時，他們就會失敗。例如，假設(shè)要設(shè)計一個部件，用于CD播放機的光學(xué)拾取裝置（圖10）。你可能會這么假設(shè)，由于該部件用于消費產(chǎn)品，它可能工作在0℃~70℃。但好好想想吧。實驗室工作臺上的部件可能是工作在25℃環(huán)境下。而光功率件是要安裝在CD驅(qū)動器里，驅(qū)動器中有其它元件在加熱空氣，該裝置可能不裝風扇。更糟糕的是，播放機裝在計算機內(nèi)，驅(qū)動器必須工作在這種環(huán)境溫度下。計算機內(nèi)部有自己的熱源和風扇，這個溫度上再加上外部環(huán)境溫度，因此，在工作臺上測得的25℃室溫，到了計算機內(nèi)就是40℃，CD驅(qū)動器內(nèi)是50℃。現(xiàn)在，如果你把計算機放在厄瓜多爾的一個很熱的閣樓上，情況又該如何？這個部件必須工作在遠高于70℃的環(huán)境溫度下。你的職責是確保它仍能滿足規(guī)范，并且高溫不會顯著縮短產(chǎn)品的壽命。
現(xiàn)實情況
終于完成了設(shè)計估算和Spice仿真，但在開發(fā)過程中的某些時間內(nèi)，還必須面臨設(shè)計內(nèi)容的現(xiàn)實性。現(xiàn)實性包括以正確的形式將電路原型化、安裝和最后修整。然后，你可以動用各種測量技術(shù)，來驗證迄今用到的所有美妙理論。重要的是盡可能近似地重現(xiàn)預(yù)期的工作環(huán)境。你應(yīng)優(yōu)先確定電路是否會被破壞，接下來電路是否會保持良好狀態(tài)，最后，電路能否在所有條件下都如預(yù)期一樣運行。
你可能還記得1998年9月2日瑞士航空公司111航班的空難事件，原因是不良設(shè)計和安裝的機載娛樂系統(tǒng)（參考文獻6）。機載娛樂網(wǎng)絡(luò)路連線的電弧引著了絕緣層上的可燃覆蓋物，并快速蔓延到其它可燃材料。如果生產(chǎn)該系統(tǒng)的小型企業(yè)設(shè)計者堅持在乘客艙所處的8000英尺高度作測試，他們就會知道磁盤驅(qū)動頭過于靠近母板，整個系統(tǒng)的熱量都難以消除。TI的Edwards指出，在1萬英尺高空，系統(tǒng)的對流冷卻能力減少20%。驗證與現(xiàn)實相關(guān)的所有工程假設(shè)是保證設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)電氣性能和熱性能的唯一方法。瑞士航空公司111航班機載系統(tǒng)的設(shè)計者忽略了這種實際檢查，因而229名乘客失去了生命。
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所有工程師都有兩種重要的測量設(shè)備，即他們的觸覺和嗅覺。大多數(shù)人都非常熟悉電子元件燒熔的刺鼻氣味。有良好嗅覺能力的人甚至能聞到一只芯片接近70℃時發(fā)出的微妙氣味。另外也可以在不含致命電壓的電路中很好地使用觸覺功能，如果能將手指在部件上放住5秒鐘以上，則部件溫度就低于70℃。多數(shù)人會過高地估計自己手指感受到的熱量，通常，他們會把只有50℃的溫度估計為70℃。如果你潤濕手指，再擦過部件，而部件發(fā)出嘶嘶聲，那么你就有麻煩了，因為任何部件溫度高于100℃都是壞消息。同樣，實驗室工作臺的環(huán)境溫度是最有利的環(huán)境。 當你完成了粗略估計后，還必須
做一些實際測量。多數(shù)DVM（數(shù)字電壓計）都有可以連接熱電偶的配件。Fluke和其它供應(yīng)商制造的手持儀器可以用到兩只熱電偶，用于測量芯片溫度及其周圍的環(huán)境溫度。你應(yīng)該測量IC的溫度比環(huán)境溫度升高的量。NationalInstruments、IOTech和很多其它數(shù)據(jù)采集設(shè)備制造商都可以幫助你用幾百種熱電偶、熱敏電阻和鉑RTD（電阻溫度探測器）傳感器建立測量系統(tǒng)。對于傳感器的尺寸和線纜的規(guī)格要特別小心。當測量一只小型IC時，熱電偶的導(dǎo)線也會傳導(dǎo)熱量，就像散熱器一樣，這種傳導(dǎo)降低了測得的溫度。
很多制造商還提供非接觸式IR（紅外）探測器，但當使用這些設(shè)備時，應(yīng)注意你所測量表面的發(fā)射率。“發(fā)射率”是一個表面熱輻射的一種量度，即一個物體輻射出的能量與一個“黑體”（或熱黑體表面）輻射熱量之比。一個黑體是一個完美的熱能輻射器，它輻射出所有吸收的能量，發(fā)射率為1。作為比較，發(fā)射率為0的材料將是一種完美的熱反射鏡（參考文獻7）。一個光亮的金屬外殼有低的發(fā)射率，因此產(chǎn)生低于實際溫度的讀數(shù)。經(jīng)平滑處理黑漆表面的發(fā)射率為1，這就是IR探測器測得的值。如要讓電子設(shè)備實現(xiàn)1的發(fā)射率，可以用經(jīng)過平滑處理的黑漆噴涂表面，或在金屬外殼上放一塊透明帶，使發(fā)射率值接近于1。
即使當器件在電路中工作時，許多聰明的半導(dǎo)體制造商都會自己測量內(nèi)核本身溫度，他們用的是一片IC的每個輸入、輸出和控制腳上都有的ESD（靜電放電）二極管（圖11）。你可以將這種方法用于有復(fù)位或CS（片選）腳的IC，也可以用多個其它腳作測量。由于二極管的正向壓降與電流成正比，你可以將芯片放入烤箱，使小電流通過ESD二極管。業(yè)內(nèi)很多人認為，100mA的電流不會造成二極管的任何自熱現(xiàn)象。你不需要為部件加電來測量二極管電壓，你可以用電源腳上或接地腳下的任何輸入或輸出腳。管腳內(nèi)部的ESD二極管會將該腳箝位在大約0.6V。如果是復(fù)位腳，它需要在部件工作時保持高電平，則將該腳上拉到電源腳。當烤箱溫度上升時，ESD二極管的正向壓降從大約0.7V降到0.53V。
同樣，如果多余管腳是片選腳，它必須在IC工作時保持為低電平，則可以將該腳拉低到接地腳，并從ESD二極管獲得數(shù)據(jù)。如果該腳是輸出腳，則要與制造商聯(lián)絡(luò)，以確認沒有外部電流會妨礙全部100mA電流穿過二極管。你必須對每種IC測量這個數(shù)據(jù)，不同工藝有不同的電壓/過溫關(guān)系。當你準備對電路中運行IC作測量時，在管腳注入100mA使其升至VCC以上，或從該腳拉出100mA，將其降到接地以下。然后，就可以測量電壓差，并推算內(nèi)核的溫度。
ESD方法雖有價值，但也有限制。如果IC提供數(shù)百毫安電流，則在VCC或接地的金屬線和連接線內(nèi)部就會有電壓降。這些電壓降可能對ESD二極管電壓的測量值有增、減作用。你應(yīng)該向應(yīng)用小組，甚至IC設(shè)計者咨詢是否會出現(xiàn)這種情況。為抵消電壓降，可以在測量時停止供電。注意硅片的發(fā)熱時間常數(shù)是微秒級，因此你必須用一臺快速示波器或采集系統(tǒng)測量，保證測到的不是二極管已經(jīng)冷卻后的ESD二極管正向電壓。
有關(guān)ESD二極管方法的另一個擔心是，IC芯片并不是等溫的，即它們在空間和時間上都不具備相等或恒定溫度。測量ESD二極管時并不能永遠保證測到的是內(nèi)核的最熱點。這里關(guān)注的是ESD二極管，它總是在芯片的邊沿，低于輸出晶體管的溫度。你可以獲得IC工作時的IR熱成像圖（圖12）。圖中明亮的白點比ESD二極管所在的內(nèi)核邊沿高25℃。當器件工作在高溫下時，可能需要降級使用（參考文獻8）。在150℃時，器件可能不能滿足電路的要求。
還有一種與ESD二極管技術(shù)等值的方法，可測量FET的溫度，即使FET正在工作。這種方法利用了一種現(xiàn)象，即FET導(dǎo)通電阻與其溫度成正比。FET的溫度越高，導(dǎo)通電阻就越大。通過記錄各種溫度下的導(dǎo)通電阻，就可以在FET工作在導(dǎo)通狀態(tài)時測量其上的電壓和通過的電流，從而推算出FET的溫度。這種方法甚至可以用于電源芯片中集成的FET。記住自熱總是電子電路中的一個隱蔽的現(xiàn)象，因此，當在烤箱中獲取導(dǎo)通電阻數(shù)據(jù)的時候，必須為FET加一個短暫的快速上升脈沖電流，以保證內(nèi)核與烤箱有相同的溫度。
做測量只是檢查真實情況，驗證自己的假設(shè)與估算的一個部分。如果沒有可用的環(huán)境溫度，你還必須自己創(chuàng)造出來。汽車公司會在亞利桑那州和加拿大做跟蹤測試，對于電子測試，采用臺面測試室或溫度強制系統(tǒng)，如Thermonics的T-2500E型（圖13）。要確保使用的電纜和測試線可以承受熱量。BrownBNC電纜有較高的額定溫度，優(yōu)于更常用的黑色U58型線（參考文獻9）。熱風槍的快速氣流就可以加熱IC，但要小心，IC可能很容易被熱風槍毀壞。制
冷噴霧器某種程度上比較安全，但也有在電路上結(jié)霜造成電路短路的缺點。測試室可以建立大氣環(huán)境，包括溫度、壓力和濕度，你需要用這三方面來完全模擬實際的環(huán)境。 總之，必須在設(shè)計電子系統(tǒng)時牢記熱設(shè)計的危險，小心可以毀掉設(shè)計的外部影響。與增加自有電路的其它工程師作交流，這些電路會增加或減少你電路中的熱量。同樣重要的是與小組中的機械工程師交流熱問題。他們可能是你確保良好熱設(shè)計的最佳伙伴。如果經(jīng)理準備去掉風扇，并將外殼從金屬改為塑料時，你應(yīng)該準備好熱電偶和測試室，向他表明這不是個好主意。
