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技術(shù)專題
集成電路熱管理
正如設(shè)計和制造電子設(shè)備的任何人都知道的那樣，該設(shè)備在開機時會產(chǎn)生熱量。無論電流流過阻抗的何處，由于熱力學(xué)定律，無論是在組件，連接，布線還是在PCB中，能量損耗都會表現(xiàn)為熱量。損失越大，產(chǎn)生的多余熱量就越大。
雖然具有耐熱增強型封裝的組件可用于幫助管理產(chǎn)生的熱量，但電子設(shè)計的趨勢是具有更緊湊的組件和更高的組件密度。集成電路封裝正變得越來越小以適應(yīng)這種趨勢，但是以較差的熱性能為代價。
在半導(dǎo)體器件中，組件柵極已縮小至納米尺寸，單個裸片現(xiàn)在可以包含由數(shù)十億個晶體管形成的數(shù)百萬個柵極。摩爾定律已標(biāo)志著這種漸進的小型化，并預(yù)測它將持續(xù)到不久的將來，直到基礎(chǔ)技術(shù)發(fā)生變化為止。盡管每款新一代的更小，更快的設(shè)備都為設(shè)計人員提供了更多的功能，但它們在相同的組件占位面積上卻產(chǎn)生了更多的熱量。
對半導(dǎo)體的影響
半導(dǎo)體器件的過度加熱會對器件的運行產(chǎn)生若干影響。半導(dǎo)體材料本身的特性由于電遷移效應(yīng)而隨溫度變化。超出設(shè)備的溫度限制，設(shè)備的性能可能不符合其規(guī)格并產(chǎn)生意外的行為。半導(dǎo)體依靠鍵合來實現(xiàn)從PCB焊盤到管芯襯底的連接，如果暴露在高溫下，這些鍵合的完整性可能會受到損害。
另一個要考慮的因素是設(shè)備開啟，關(guān)閉或受到脈沖負載影響時的熱應(yīng)力影響。由于所用材料的性質(zhì)及其與周圍環(huán)境的熱連接，因此，隨著溫度的變化，devipower線的快速循環(huán)是相當(dāng)緩慢的循環(huán)。另一方面，芯片在改變狀態(tài)時會經(jīng)受快速的溫度變化，例如電源線的快速循環(huán)。
半導(dǎo)體器件通常由結(jié)合到與銅基板相連的絕緣基板上的芯片組成。由于熱應(yīng)力會使半導(dǎo)體器件內(nèi)的不同層變形，因此該熱應(yīng)力會引起功率循環(huán)壽命故障。設(shè)備制造中使用的各種材料可能會以不同的速率擴展。這可能導(dǎo)致材料破裂或分層，或者由于封裝材料的膨脹而在芯片上施加應(yīng)力。這樣的影響會導(dǎo)致設(shè)備過早失效，從而對可靠性產(chǎn)生不利影響。
這可以歸結(jié)為這樣的斷言：工作溫度越高，可靠性越低。器件的數(shù)據(jù)表將在特定溫度（通常為標(biāo)準(zhǔn)室溫）下提供預(yù)計的平均故障前時間（MTBF）。有一個普遍的（非常粗略的）經(jīng)驗法則，工作溫度每升高10 o C，MTBF就會減半。這是基于化學(xué)的歷史證據(jù)，化學(xué)反應(yīng)的速率往往會隨著每10 o C的變化而翻倍，從而導(dǎo)致指數(shù)增加。
挑戰(zhàn)在于從半導(dǎo)體材料中提取熱能，并將其盡可能快而有效地傾倒到周圍環(huán)境中，以保持器件的可靠性。
設(shè)備等級
半導(dǎo)體器件的數(shù)據(jù)表將指定其工作溫度范圍。通常，這將是0 ò C至70 ?下一個標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)產(chǎn)品或潛在-40 ò C至85 ?下使用工業(yè)級的一部分。如果需要，可以提供具有更大范圍的軍用規(guī)格零件，但單位成本更高。實際上，各種產(chǎn)品之間沒有什么區(qū)別。它們的制造余量意味著商業(yè)零件可以在軍用規(guī)格范圍內(nèi)工作。通常取決于對更高規(guī)格的組件進行更嚴(yán)格的測試，以確保它們符合所需的操作領(lǐng)域。
絕對最大額定值（AMR）將定義工作極限，包括工作溫度和結(jié)溫。設(shè)備制造商基于在最壞的可能工作條件下提供設(shè)備可接受的可使用性來選擇這些值，這些條件包括電源電壓的變化，負載的變化，信號的變化以及允許的環(huán)境條件。AMR將取決于制造商指定的任何建議操作條件下的用戶。
熱阻
對于半導(dǎo)體器件，熱阻測量器件如何抵抗熱量從結(jié)到其外表面的流動。用符號θ表示并以o C / W表示，電阻越低，器件將熱量從結(jié)點抽出并從可以應(yīng)用外部冷卻機制的器件中抽出的效率就越高。單位似乎有點奇怪。但是，這非常實用-單位是兩個熱量點之間的溫度差（以攝氏度為單位）（如果您有1瓦熱量）。因此140 o C / WθJA表示半導(dǎo)體結(jié)與周圍環(huán)境之間的溫度差為140 o C，在結(jié)上施加1瓦熱量。
通常，元件的數(shù)據(jù)表會指定結(jié)點對周圍環(huán)境的熱阻，稱為θJA。或者，它可以被分解成從結(jié)到的情況下，指定θ熱阻JC，并從殼體到周圍環(huán)境，θ CA。
因此，可以使用器件的熱阻，器件內(nèi)消耗的全部功率以及最大環(huán)境溫度來計算最大結(jié)溫。
熱阻將取決于管芯周圍的銅量，用于封裝的材料，材料的厚度，甚至管芯在設(shè)備中的取向。
值得一提的另一個因素是模具材料本身。與傳統(tǒng)的碳化硅基材料相比，允許無缺陷的砷化硼襯底的技術(shù)的引入使熱阻顯著降低，并且低于銅。但是，這樣的設(shè)備超出了普通電子工程師的能力和預(yù)算。
穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)注意事項
需要牢記的重要一點是，由于溫度過高而導(dǎo)致的故障機制不太可能由較高的穩(wěn)態(tài)溫度引起。它們更可能是由溫度梯度，溫度循環(huán)幅度的變化以及溫度變化率的影響更為明顯引起的。處理功率脈沖而不是穩(wěn)態(tài)功率的半導(dǎo)體器件更容易發(fā)生與熱相關(guān)的故障。這里的信息是設(shè)備的操作方式與其操作環(huán)境同樣重要。如果設(shè)備正在處理高頻脈沖信號，則與處理變化相對較慢的信號相比，它將需要更強大的熱管理解決方案。
隨著分立組件中半導(dǎo)體器件的日益使用以及將其封裝到越來越小的器件中的要求，熱設(shè)計的重要性日益提高。標(biāo)準(zhǔn)做法是對設(shè)備執(zhí)行穩(wěn)態(tài)熱分析，并根據(jù)結(jié)果結(jié)果提供計算出的冷卻水平，以達到所需的可靠性。但是，根據(jù)設(shè)備的實際操作模式，瞬態(tài)熱分析可能會很好地確定該冷卻水平不足。問題在于，穩(wěn)態(tài)熱分析要簡單得多，而且要快得多。誘惑在于執(zhí)行穩(wěn)態(tài)分析，基于工程判斷添加安全系數(shù)，或帶走設(shè)備并在現(xiàn)場監(jiān)視溫度，以查看長期來看是否存在可靠性問題。
散熱解決方案
散熱的典型起點是將PCB本身用作被動冷卻方法。如果空間和組件放置允許，則使用具有低熱阻的銅PCB跡線是低成本的熱管理解決方案的理想選擇。小心地在半導(dǎo)體下方和周圍放置銅多邊形會帶走器件的熱量，并將其散布到PCB的其余部分。如果該半導(dǎo)體器件是用位于裸片下方的大面積銅芯制造的，則這特別有效。管芯直接放在該凸塊上，并暴露在包裝的下側(cè)，以直接靠著PCB的表面放置，以最大程度地提高熱流。然而，更復(fù)雜的半導(dǎo)體器件是用堆疊管芯制造的，其中熱量提取會更加復(fù)雜。
明顯的不利之處是散發(fā)的熱量會影響板上的其他組件。相反，任何其他熱設(shè)備（例如功率FET）本身都可以將熱量散發(fā)到半導(dǎo)體中。整個電路板的熱分析對于確保整體熱管理解決方案有效是必不可少的。電路板任何關(guān)鍵區(qū)域都不會出現(xiàn)可能影響溫度敏感組件的熱點。
散熱器是用于為半導(dǎo)體器件提供局部散熱的另一種常用技術(shù)?；驹硎蔷哂薪饘俳Y(jié)構(gòu)，該金屬結(jié)構(gòu)具有盡可能大的物理附著到半導(dǎo)體器件的表面積。與依靠小面積的熱量散發(fā)熱量相比，熱量可以更有效地從設(shè)備散發(fā)出去。通常，熱界面材料用于將散熱器粘合到半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體本質(zhì)上是具有非常低熱阻的粘合劑。標(biāo)準(zhǔn)的散熱器使用鋁制結(jié)構(gòu)，散熱片上覆蓋有鰭片，以最大程度地增加表面積，并為感應(yīng)散熱器附近的熱空氣由于對流產(chǎn)生的運動提供路徑。當(dāng)空氣溫度變得足夠高于環(huán)境空氣溫度時，就會發(fā)生這種情況。
如果僅散熱器無法提供所需的散熱水平，則使用風(fēng)扇在散熱器的散熱片上添加強制氣流將比僅依靠對流更快地用周圍空氣代替溫暖的空氣。重要的是要注意，該設(shè)備必須設(shè)計成允許不受阻礙的氣流從外部穿過散熱器，然后再從冷卻設(shè)備中流出，以發(fā)揮作用。一個缺點是這種布置可能將灰塵和污染物吸入設(shè)備，這可能會影響整體可靠性或潛在地降低散熱器的熱效率。
如果空間有限，另一種解決方案是熱管。作為現(xiàn)成的設(shè)備可用，熱管為將熱量從電路板上的熱點被動轉(zhuǎn)移到較冷的位置提供了一種可靠且具有成本效益的方法。通常，熱管包含少量的吸熱液體，例如加壓的氮氣，氨水或丙酮。流體吸收熱量并變成蒸氣，蒸氣沿著管道流向冷凝器。在這里，它凝結(jié)回液態(tài)，然后返回循環(huán)的熱源重新開始。它的主要優(yōu)點是它是無源部件，沒有活動部件，也沒有維護要求。然而，成本可能很高，并且在PCB上安裝可能具有挑戰(zhàn)性。
其他解決方案，包括液冷冷卻板或珀爾帖效應(yīng)冷卻板，都是可能的選擇。盡管如此，成本和復(fù)雜性仍顯著增加，對于許多消費者而言，使它們成為目標(biāo)設(shè)備預(yù)算并不切實際。
PCB散熱建議
如果您可以將PCB用作無源散熱解決方案，請參考以下一些建議，以盡可能提高效率。
第一步，檢查設(shè)計并查看是否有減少熱量成分的選項。更改組件，重新設(shè)計電路或重新考慮電源通常可能是成功的策略。預(yù)防總比治療好。
在設(shè)計允許的范圍內(nèi)使用盡可能大的銅面積。如果您不受電路板尺寸的限制，請考慮增加電路板面積以獲得更多的表面積以用于散熱。請勿用阻焊劑覆蓋將用于散熱的任何銅，因為這會增加整體熱阻，從而無法使用裸露的銅。利用多層板，在多層上使用區(qū)域，并將它們與大量過孔連接起來，以最大程度地提高它們之間的熱耦合。散熱通孔具有優(yōu)勢只要您有足夠的空間將它們?nèi)菁{在PCB布局中，它們就會增加板上銅的質(zhì)量和面積，從而降低熱阻并以較小的努力提供更好的散熱效果。這些散熱通孔需要放置在盡可能靠近任何熱源的位置，以使其有效。另外，請使用可以使用最厚銅的PCB。這直接影響熱量在整個板上的傳導(dǎo)速度。
為電路板提供自然通風(fēng)，使空氣可以自由地流過電路板的表面，理想的方式是允許在整個表面區(qū)域均勻加熱。因此，這可以最大程度地減少形成滯空空氣的任何熱氣和冷氣的風(fēng)險，這可能會導(dǎo)致冷卻不均。
如果您的PCB安裝在外殼中，請選擇一種由低熱阻材料制成的外殼，然后將PCB熱耦合到該外殼上。考慮使用鰭，脊或簡單凸起的設(shè)計圖案來最大程度地增加外殼的表面積。如果設(shè)備的外殼允許，請垂直調(diào)整PCB的方向，以利用熱空氣上升和冷空氣下沉的自然趨勢，從而增加自然對流的氣流速率。
如果被動氣流冷卻不足，請考慮添加一個風(fēng)扇，將環(huán)境空氣推到板上或?qū)峥諝饫?。理想情況下，應(yīng)將風(fēng)扇放置在任何自然對流通道的一端，以增強這種自然氣流，而不要逆著它流動。確?？諝庾杂闪鲃?；如果將設(shè)備放置在柔軟的表面上會阻塞進氣口，則在設(shè)備底側(cè)設(shè)置進氣通道是沒有用的。另外，如果強制空氣中可能包含灰塵，或者如果設(shè)備將在可能存在空氣中顆粒物或污染物的地方運行，請考慮使用某種類型的過濾器。