热分析与热设计技术（下）
中心议题：
- 用热阻来计算芯片的温度。
- ESD二极管和温度探头有助测量热量
- 热成像相机可以揭示设计中隐藏的问题
- Spice与有限元分析软件在热设计中很有用
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DarvinEdwards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。
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BruceRobinson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。
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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。 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。NationalInstruments、IOTech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0.7V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。BrownBNC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。<上一页12 关键字：热分析 热设计技术 散热 本文链接：http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80005359?page=2
