熱分析與熱設計技術
熱與冷都會對電路造成負面影響。在極高溫下，芯片可能燒毀（圖1）。更常見的情況是，如果你的設計達到未曾預料的溫度，很多部件都可能超出規定極限。當出現這種情況時，電路就可能表現出難以預料的行為。另外一個情況也同樣值得關注，即電路溫度從熱到冷，然后又從冷到熱。這種狀況會造成熱沖擊，也會毀壞元件。很多工程師并不關心自己的電路在低溫下的性能，但這種忽視是一個錯誤。半導體器件的性能在低溫下會發生顯著變化。雙極晶體管的基射結電壓在低溫下會大大升高（圖 2 和參考文獻 1）。Analog Devices 產品開發工程經理 Francisco Santos 說：“如果你要設計一個能夠在負溫度下工作于1.8V的放大器，就要考慮當從室溫降到-40℃時，VBE（基射電壓）會增加 130mV。這種情況將迫使設計者采用一組完全不同的放大器架構。”
很多放大器，如Analog Devices 的AD8045，在冷卻時會加速（圖3），而有些放大器（如AD8099）則在變冷時會降速。已退休的Linear Technology 信號處理產品前副總裁兼總經理Bill Gross稱：“雙極晶體管在低溫下遇到的多數麻煩是低電壓工作。”他認為，較高的基射電壓和較小的電流增益都更難于滿足規格要求。他說：“較低的輸入阻抗和b（電流增益）的不匹配都會造成低溫下的大問題。尤其是當它們為室溫運行作了調整時。較高的gm（跨導）很容易通過改變工作電流而得到補償，但這樣的話轉換速率就會變化。”
低溫會造成振蕩、不穩定、過沖，以及不良的濾波性能。百萬分之幾測量法可以改變你的元件在高溫和低溫下的值。如果你預計IC內核工作在 -55℃ ~ +85℃，則在25℃環境下只需60℃就到了最高溫度上限，而從環境溫度到-55℃是80℃溫差。所以，要查明你的錯誤就應檢查熱與冷兩種情況。Kettering大學（密歇根州 Flint）電氣工程教授James McLaughlin認為，當你將硅片加熱超過數百度時，它會“本質化”。換句話說，溫度足夠高時，摻雜物會通過晶格作遷移，不再存在 PN 結，而只是一塊不純的導電硅片。那么連接線是否會爆炸？還是硅片繼續加熱至熔融，直至揮發掉？
IC 在較高溫度下運行時的損壞難以捉摸。美國國家半導體公司的顧問和前產品工程師 Martin DeLateur 指出，在高于 165℃的溫度時，模塑材料開始碳化。此時，模塑材料會轉變成為一種堅硬的灰色材料。釋氣，即某些材料捕捉、冷凍、吸收或吸附的氣體的緩慢釋放，會造成聚合添加物如阻燃劑的釋放。在低電平下，這種釋氣可以影響一片 IC 的長期和短期運行，因為它給芯片增加了離子或表面效應。連接線可能傳輸過高的電流，也會造成模塑材料的碳化。過高的電流會使碳管硬化，它可能使連接線熔化，從而保持管內導電狀態。最后，更高的熱擴張會使鈍化層、內核，或碳化模制化合物產生開裂，導致大規模故障。（軍用規范將過高電流定義為超過 1.2×105A/cm2，因此軍隊強烈要求 IC 采用全密封的封裝。）當內核上沒有塑料材料時，就不會發生燒焦和退化現象。油井儀器公司經常以 200℃對使用在自己產品中的硅 IC 進行測試并確定其特性。這些產品壽命有限，但工作時間仍比它們采用塑料封裝的情況要長得多。即使內核溫度低于150℃，IC的壽命周期也會縮短。
1884 年，荷蘭化學家 Jacobus H van't Hoff 率先提出了 Arrhenius 方程，而瑞典化學家 Svante Arrhenius 則在五年后對其作了物理驗證和解釋。這個方程是：k=Ae(-Ea/RT)，其中k是速率系數，A 是一個常量，Ea 是活化能量，R 是普適氣體常數，而 T 是以。k為單位的溫度。Arrhenius 最初將該方程用于化學反應，描述反應速度隨溫度而加快（參考文獻2與參考文獻 3）。今天的工程師們也用它描述電子器件在高溫下工作時的較短壽命。方程表明，溫度每升高 10℃，器件的壽命減半。因此，降低設計中硅片的溫度很重要。如果你能將 IC 溫度從 85℃降低到 65℃，這些元件的壽命就能增加四倍。
問題的根源不僅出自熱或冷的靜態狀態，也可能是出在一個溫度到另一個溫度的轉變過程中。在極端情況下，熱沖擊會將電路板和器件裂成碎片。溫度梯度（會產生小電壓誤差）也可以由于焊接材料和管腳材料的熱電偶效應而產生麻煩（參考文獻4）。此外，溫度梯度本身可以是動態變化的。已故的 Bob Widlar是一位開創型的電子工程師，曾就職于美國國家半導體、Fairchild、Maxim和Linear Technology，他曾收到過一個在1 kHz 時壞掉的原型硅片。Widlar 認為熱波來自于輸出晶體管的輻射。這些熱波會通過硅內核均勻散播。問題是，這片 IC 有兩個基準節點，它與輸出晶體管的距離不相等。在 1 kHz 工作頻率下，基準節點之一處于一個熱谷中，而另一個則位于一個熱峰。這種情況會導致偏置電流的不均衡，使器件無法正常工作。由于這些熱梯度，有些電源設計者更喜歡用控制器，而不是內置功率 FET 的IC。使用控制器時，FET 的熱量不會流過相同內核、放大器和基準電路。
熱分析電路的熱分析分三個步驟。首先估計IC中產生的熱量。然后，估計電路板或散熱片散掉的熱量。最后，估計部件將要運行的環境溫度（圖4）。在估計元件產生的熱量時，DC分析通常沒什么價值。一只電壓為1V、流過 1A 電流的電阻器，會產生1W的熱量。但是，要估計交流或未確定的信號所產生的熱量就比較麻煩。首先，從電源端到接地腳的靜態電流總是在耗散一個直流功率。一個采用10V電源和5mA靜態電流的器件會產生50mW熱量。但是，在運行中，該靜態電流可能有所變化。偏置電流和基極驅動電流通常在遇到交流信號時會增加。最大的挑戰是計算出器件輸出電流所產生的熱量。這種估算可能并不簡單。一只器件為一個負載提供的功率是可變化的，但是，如果輸出晶體管是常開或常閉狀態，則器件內部消耗的功率就相對較小。如大多數放大器所使用的傳統圖騰柱輸出級，輸出一個滿擺幅方波時發熱并不是最大。IC 內最糟的發熱情況是器件輸出一個方波，其振幅是電源范圍的一半。如果器件工作在±12V電壓，則±6Vp-p的方波就會在輸出級產生最大的熱量。正弦波輸出的內部發熱較低。如果信號很復雜或者比較亂，則很難估計IC內真實的最差情況下發熱狀況。如有含有大電容和大電感元件的電抗性負載，則功耗估計工作會更加復雜。因為電壓和電流不是同相位，因此有關半振幅方波的簡單假設也不可行。
如果你能確定IC通過信號的特性，就可以用Spice來估算功耗。此時必須保證使用恰當的Spice模型，它們對一些測試信號給出合理的結果，而功耗計算此時沒有價值。圖5 表示一個Spice圖。芯片的功耗不同于到達負載
的功率。圖 6 是圖 5 示意圖的 Spice 曲線圖。它以紅線表示啟動的振蕩。電路是否會發生這種振蕩只是個人的猜測，但它應該會使你在建立原型后查看這種行為。記住，在 Orcad Capture 上點擊 W 鍵只能顯示芯片的靜態功耗。要獲得工作時的功耗，要用示意圖上的功率標記，然后用曲線程序的 rms-math 函數，給出器件的平均功耗。
電路板或散熱器會通過對流、傳導或輻射方式，將 IC 的熱量散發出去。傳導散熱主要是通過金屬引線框和電路板上銅箔。一旦電路板銅箔或分立散熱片傳導出熱量，就為對流散熱提供了足夠將熱量散播到空氣中的表面積。輻射很難是一種散熱的可行方法。衛星設計者采用輻射方式，因為沒有其它方法可以去除系統中的熱量。由于空間的輻射溫度接近于絕對零度，因此存在足夠大的溫差，使大量的熱能可以傳輸到空間中，使衛星上的電子設備不會過熱燒毀。
對流散熱也有一些困難。例如，氣流對商用散熱片的影響（圖7）。注意，在高溫下，熱阻會增加五倍。使用強制風冷的散熱片有較薄、間距更近的鰭片，比如一款風扇式CPU冷卻器。如果你的產品沒有風扇，則 IC 產生的熱量會傳導和散播出來，然后傳送到機內的空氣中。接下來，隨著整個機器溫度的上升，熱量通過對流傳送給周圍的空氣，如果你把機器放在腿上，則部分熱量也會傳導過來。外殼材料的熱阻就變得很重要。熱量從內向外的傳送速度，塑料殼要慢于金屬殼。
做噴氣戰斗機非機艙電子設備的工程師知道，一架噴氣飛機要飛到高達7 萬英尺的高空。在這個高度，空氣非常稀薄，對流冷卻是無效的。這些系統有一個帶乙二醇冷卻通道的冷板，確保冷板溫度不高于 80℃。每個部件都與一個金屬散熱器保持物理接觸，散熱器將元件熱量傳送至電路板的邊沿。在電路板的邊沿，一個傳熱的夾鉗系統將這個散熱器壓緊在機殼的一側。機殼的側面將熱量傳給機殼所在的冷板。導熱油脂可保證將最多的熱量傳送給冷板，并確保從 IC 到散熱片的最大傳導。
多數電子工程師都很熟悉用熱阻作為一種熱分析技術。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，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，要查看部件數據表上有關熱阻規格的隱藏信息。從內核到外殼的熱阻ΦJC 不是一個有用的測量值。半導體制造商的 IC 或封裝設計者可能關心的是當熱量從內核流至外殼時IC 的溫升，但你需要更多的信息。你在數據表上經常看到的下一個規格是從節點到外界的熱阻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 Darvin Edwards 指出，ΦJA 對多數試圖預測結溫的工程師來說是沒有用處的。他說：“有用的是從內核到電路板的熱阻（ΦJB），以及從內核到封裝表面的熱阻（ΦJC）。我們用兩個 JEDEC（聯合電子設備工程委員會）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 IC 的塑料頂面都幾乎不傳送熱量。環氧樹脂塑料的熱傳導能力為 0.6W/mK ～ 1W/mK（米-開爾文），而銅的導熱能力是 400W/mK。因此，銅的導熱能力比塑料高400倍 ~600倍，重要的是PCB設計要實現熱傳導的最大化。
估算電路板散熱還有更多的復雜方法。美國國家半導體的 Webench 在線設計工具采用 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（參考文獻5）。圖 9 顯示了一個計算機機殼發熱與氣流的分析結果。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，部件的導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。
圖 9 一個計算機機殼發熱與氣流的分析結果
熱分析中的最后一步是估計環境溫度，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境的某種溫升。如果環境空氣升高10℃，則氣缸頭溫度也會上升。電子系統也一樣。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境會達到何種極端境地。我們都知道，外層空間中的衛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性的環境。美國尼桑公司測試開發工程師 Bruce Robinson 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：白天環境溫度 46℃，車內空氣溫度 81℃，儀表板表面最高溫
度 111℃，車內元件溫度 82℃。換句話說，你可以在儀表板上燒開水。如果你設計車用電子設備，一定要考慮到這些。
無疑，當大多數工程師沒有理解環境溫度的嵌套程度時，他們就會失敗。例如，假設要設計一個部件，用于 CD 播放機的光學拾取裝置（圖 10）。你可能會這么假設，由于該部件用于消費產品，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℃環境下。而光功率件是要安裝在 CD 驅動器里，驅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，驅動器必須工作在這種環境溫度下。計算機內部有自己的熱源和風扇，這個溫度上再加上外部環境溫度，因此，在工作臺上測得的25℃室溫，到了計算機內就是40℃，CD驅動器內是50℃。現在，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℃的環境溫度下。你的職責是確保它
仍能滿足規范，并且高溫不會顯著縮短產品的壽命。
現實情況
終于完成了設計估算和 Spice 仿真，但在開發過程中的某些時間內，還必須面臨設計內容的現實性。現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，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預期的工作環境。你應優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，最后，電路能否在所有條件下都如預期一樣運行。
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，原因是不良設計和安裝的機載娛樂系統（參考文獻6）。機載娛樂網絡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。如果生產該系統的小型企業設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動頭過于靠近母板，整個系統的熱量都難以消除。TI 的 Edwards 指出，在1 萬英尺高空，系統的對流冷卻能力減少 20%。驗證與現實相關的所有工程假設是保證設計能夠實現電氣性能和熱性能的唯一方法。瑞士航空公司 111 航班機載系統的設計者忽略了這種實際檢查，因而229名乘客失去了生命。
所有工程師都有兩種重要的測量設備，即他們的觸覺和嗅覺。大多數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，實驗室工作臺的環境溫度是最有利的環境。熱設計 http://www.93ssc.com
當你完成了粗略估計后，還必須做一些實際測量。多數 DVM（數字電壓計）都有可以連接熱電偶的配件。Fluke 和其它供應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境溫度。你應該測量 IC 的溫度比環境溫度升高的量。National Instruments、IO Tech 和很多其它數據采集設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。對于傳感器的尺寸和線纜的規格要特別小心。當測量一只小型 IC 時，熱電偶的導線也會傳導熱量，就像散熱器一樣，這種傳導降低了測得的溫度。很多制造商還提供非接觸式 IR（紅外）探測器，但當使用這些設備時，應注意你所測量表面的發射率。“發射率”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，發射率為 1。作為比較，發射率為 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射率，因此產生低于實際溫度的讀數。經平滑處理黑漆表面的發射率為 1，這就是 IR 探測器測得的值。如要讓電子設備實現 1 的發射率，可以用經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，許多聰明的半導體制造商都會自己測量內核本身溫度，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。業內很多人認為，100mA 的電流不會造成二極管的任何自熱現象。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。管腳內部的 ESD 二極管會將該腳箝位在大約 0.6V。如果是復位腳，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 0.7 V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 二極管獲得數據。如果該腳是輸出腳，則要與制造商聯絡，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 測量這個數據，不同工藝有不同的電壓/過溫關系。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，并推算內核的溫度。
ESD方法雖有價值，但也有限制。如果IC提供數百毫安電流，則在VCC或接地的金屬線和連接線內部就會有電壓降。這些電壓降可能對ESD二極管電壓的測量值有增、減作用。你應該向應用小組，甚至 IC 設計者咨詢是否會出現這種情況。為抵消電壓降，可以在測量時停止供電。注意硅片的發熱時間常數是微秒級，因此你必須用一臺快速示波器或采集系統測量，保證測到的不是二極管已經冷卻后的ESD二極管正向電壓。
有關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核的最熱點。這里關注的是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象，即 FET 導通電阻與其溫度成正比。FET 的溫度越高，導通電阻就越大。通過記錄各種溫度下的導通電阻，就可以在 FET 工作在導通狀態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象，因此，當在烤箱中獲取導通電阻數據的時候，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，驗證自己的假設與估算的一個部分。如果沒有可用的環境溫度，你還必須自己創造出來。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，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。Brown BNC電纜有較高的額定溫度，優于更常用的黑色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，但也有在電路上結霜造成電路短路的缺點。測試室可以建立大氣環境，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境。
總之，必須在設計電子系統時牢記熱設計的危險，小心可以毀掉設計的外部影響。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計的最佳伙伴。如果經理準備去掉風扇，并將外殼從金屬改為塑料時，你應該準備好熱電偶和測試室，向他表明這不是個好主意。
參考文獻
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".
熱設計資料下載： 熱分析與熱設計技術.pdf
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