熱分析與熱設(shè)計(jì)技術(shù)

熱與冷都會(huì)對(duì)電路造成負(fù)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(shè)計(jì)達(dá)到未曾預(yù)料的溫度，很多部件都可能超出規(guī)定極限。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)，電路就可能表現(xiàn)出難以預(yù)料的行為。另外一個(gè)情況也同樣值得關(guān)注，即電路溫度從熱到冷，然后又從冷到熱。這種狀況會(huì)造成熱沖擊，也會(huì)毀壞元件。很多工程師并不關(guān)心自己的電路在低溫下的性能，但這種忽視是一個(gè)錯(cuò)誤。半導(dǎo)體器件的性能在低溫下會(huì)發(fā)生顯著變化。雙極晶體管的基射結(jié)電壓在低溫下會(huì)大大升高（圖 2 和參考文獻(xiàn) 1）。Analog Devices 產(chǎn)品開發(fā)工程經(jīng)理 Francisco Santos 說：“如果你要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠在負(fù)溫度下工作于1.8V的放大器，就要考慮當(dāng)從室溫降到-40℃時(shí)，VBE（基射電壓）會(huì)增加 130mV。這種情況將迫使設(shè)計(jì)者采用一組完全不同的放大器架構(gòu)。”

很多放大器，如Analog Devices 的AD8045，在冷卻時(shí)會(huì)加速（圖3），而有些放大器（如AD8099）則在變冷時(shí)會(huì)降速。已退休的Linear Technology 信號(hào)處理產(chǎn)品前副總裁兼總經(jīng)理Bill Gross稱：“雙極晶體管在低溫下遇到的多數(shù)麻煩是低電壓工作。”他認(rèn)為，較高的基射電壓和較小的電流增益都更難于滿足規(guī)格要求。他說：“較低的輸入阻抗和b（電流增益）的不匹配都會(huì)造成低溫下的大問題。尤其是當(dāng)它們?yōu)槭覝剡\(yùn)行作了調(diào)整時(shí)。較高的gm（跨導(dǎo)）很容易通過改變工作電流而得到補(bǔ)償，但這樣的話轉(zhuǎn)換速率就會(huì)變化。”
低溫會(huì)造成振蕩、不穩(wěn)定、過沖，以及不良的濾波性能。百萬分之幾測(cè)量法可以改變你的元件在高溫和低溫下的值。如果你預(yù)計(jì)IC內(nèi)核工作在 -55℃ ~ +85℃，則在25℃環(huán)境下只需60℃就到了最高溫度上限，而從環(huán)境溫度到-55℃是80℃溫差。所以，要查明你的錯(cuò)誤就應(yīng)檢查熱與冷兩種情況。Kettering大學(xué)（密歇根州 Flint）電氣工程教授James McLaughlin認(rèn)為，當(dāng)你將硅片加熱超過數(shù)百度時(shí)，它會(huì)“本質(zhì)化”。換句話說，溫度足夠高時(shí)，摻雜物會(huì)通過晶格作遷移，不再存在 PN 結(jié)，而只是一塊不純的導(dǎo)電硅片。那么連接線是否會(huì)爆炸？還是硅片繼續(xù)加熱至熔融，直至揮發(fā)掉？

    IC 在較高溫度下運(yùn)行時(shí)的損壞難以捉摸。美國國家半導(dǎo)體公司的顧問和前產(chǎn)品工程師 Martin DeLateur 指出，在高于 165℃的溫度時(shí)，模塑材料開始碳化。此時(shí)，模塑材料會(huì)轉(zhuǎn)變成為一種堅(jiān)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(huì)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(yùn)行，因?yàn)樗o芯片增加了離子或表面效應(yīng)。連接線可能傳輸過高的電流，也會(huì)造成模塑材料的碳化。過高的電流會(huì)使碳管硬化，它可能使連接線熔化，從而保持管內(nèi)導(dǎo)電狀態(tài)。最后，更高的熱擴(kuò)張會(huì)使鈍化層、內(nèi)核，或碳化模制化合物產(chǎn)生開裂，導(dǎo)致大規(guī)模故障。（軍用規(guī)范將過高電流定義為超過 1.2×105A/cm2，因此軍隊(duì)強(qiáng)烈要求 IC 采用全密封的封裝。）當(dāng)內(nèi)核上沒有塑料材料時(shí)，就不會(huì)發(fā)生燒焦和退化現(xiàn)象。油井儀器公司經(jīng)常以 200℃對(duì)使用在自己產(chǎn)品中的硅 IC 進(jìn)行測(cè)試并確定其特性。這些產(chǎn)品壽命有限，但工作時(shí)間仍比它們采用塑料封裝的情況要長得多。即使內(nèi)核溫度低于150℃，IC的壽命周期也會(huì)縮短。

1884 年，荷蘭化學(xué)家 Jacobus H van't Hoff 率先提出了 Arrhenius 方程，而瑞典化學(xué)家 Svante Arrhenius 則在五年后對(duì)其作了物理驗(yàn)證和解釋。這個(gè)方程是：k=Ae(-Ea/RT)，其中k是速率系數(shù)，A 是一個(gè)常量，Ea 是活化能量，R 是普適氣體常數(shù)，而 T 是以。k為單位的溫度。Arrhenius 最初將該方程用于化學(xué)反應(yīng)，描述反應(yīng)速度隨溫度而加快（參考文獻(xiàn)2與參考文獻(xiàn) 3）。今天的工程師們也用它描述電子器件在高溫下工作時(shí)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(shè)計(jì)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(tài)狀態(tài)，也可能是出在一個(gè)溫度到另一個(gè)溫度的轉(zhuǎn)變過程中。在極端情況下，熱沖擊會(huì)將電路板和器件裂成碎片。溫度梯度（會(huì)產(chǎn)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(yīng)而產(chǎn)生麻煩（參考文獻(xiàn)4）。此外，溫度梯度本身可以是動(dòng)態(tài)變化的。已故的 Bob Widlar是一位開創(chuàng)型的電子工程師，曾就職于美國國家半導(dǎo)體、Fairchild、Maxim和Linear Technology，他曾收到過一個(gè)在1 kHz 時(shí)壞掉的原型硅片。Widlar 認(rèn)為熱波來自于輸出晶體管的輻射。這些熱波會(huì)通過硅內(nèi)核均勻散播。問題是，這片 IC 有兩個(gè)基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)，它與輸出晶體管的距離不相等。在 1 kHz 工作頻率下，基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)之一處于一個(gè)熱谷中，而另一個(gè)則位于一個(gè)熱峰。這種情況會(huì)導(dǎo)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(shè)計(jì)者更喜歡用控制器，而不是內(nèi)置功率 FET 的IC。使用控制器時(shí)，F(xiàn)ET 的熱量不會(huì)流過相同內(nèi)核、放大器和基準(zhǔn)電路。
熱分析電路的熱分析分三個(gè)步驟。首先估計(jì)IC中產(chǎn)生的熱量。然后，估計(jì)電路板或散熱片散掉的熱量。最后，估計(jì)部件將要運(yùn)行的環(huán)境溫度（圖4）。在估計(jì)元件產(chǎn)生的熱量時(shí)，DC分析通常沒什么價(jià)值。一只電壓為1V、流過 1A 電流的電阻器，會(huì)產(chǎn)生1W的熱量。但是，要估計(jì)交流或未確定的信號(hào)所產(chǎn)生的熱量就比較麻煩。首先，從電源端到接地腳的靜態(tài)電流總是在耗散一個(gè)直流功率。一個(gè)采用10V電源和5mA靜態(tài)電流的器件會(huì)產(chǎn)生50mW熱量。但是，在運(yùn)行中，該靜態(tài)電流可能有所變化。偏置電流和基極驅(qū)動(dòng)電流通常在遇到交流信號(hào)時(shí)會(huì)增加。最大的挑戰(zhàn)是計(jì)算出器件輸出電流所產(chǎn)生的熱量。這種估算可能并不簡(jiǎn)單。一只器件為一個(gè)負(fù)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(tài)，則器件內(nèi)部消耗的功率就相對(duì)較小。如大多數(shù)放大器所使用的傳統(tǒng)圖騰柱輸出級(jí)，輸出一個(gè)滿擺幅方波時(shí)發(fā)熱并不是最大。IC 內(nèi)最糟的發(fā)熱情況是器件輸出一個(gè)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(huì)在輸出級(jí)產(chǎn)生最大的熱量。正弦波輸出的內(nèi)部發(fā)熱較低。如果信號(hào)很復(fù)雜或者比較亂，則很難估計(jì)IC內(nèi)真實(shí)的最差情況下發(fā)熱狀況。如有含有大電容和大電感元件的電抗性負(fù)載，則功耗估計(jì)工作會(huì)更加復(fù)雜。因?yàn)殡妷汉碗娏鞑皇峭辔?，因此有關(guān)半振幅方波的簡(jiǎn)單假設(shè)也不可行。

  如果你能確定IC通過信號(hào)的特性，就可以用Spice來估算功耗。此時(shí)必須保證使用恰當(dāng)?shù)腟pice模型，它們對(duì)一些測(cè)試信號(hào)給出合理的結(jié)果，而功耗計(jì)算此時(shí)沒有價(jià)值。圖5 表示一個(gè)Spice圖。芯片的功耗不同于到達(dá)負(fù)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(dòng)的振蕩。電路是否會(huì)發(fā)生這種振蕩只是個(gè)人的猜測(cè)，但它應(yīng)該會(huì)使你在建立原型后查看這種行為。記住，在 Orcad Capture 上點(diǎn)擊 W 鍵只能顯示芯片的靜態(tài)功耗。要獲得工作時(shí)的功耗，要用示意圖上的功率標(biāo)記，然后用曲線程序的 rms-math 函數(shù)，給出器件的平均功耗。
電路板或散熱器會(huì)通過對(duì)流、傳導(dǎo)或輻射方式，將 IC 的熱量散發(fā)出去。傳導(dǎo)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(dǎo)出熱量，就為對(duì)流散熱提供了足夠?qū)崃可⒉サ娇諝庵械谋砻娣e。輻射很難是一種散熱的可行方法。衛(wèi)星設(shè)計(jì)者采用輻射方式，因?yàn)闆]有其它方法可以去除系統(tǒng)中的熱量。由于空間的輻射溫度接近于絕對(duì)零度，因此存在足夠大的溫差，使大量的熱能可以傳輸?shù)娇臻g中，使衛(wèi)星上的電子設(shè)備不會(huì)過熱燒毀。
對(duì)流散熱也有一些困難。例如，氣流對(duì)商用散熱片的影響（圖7）。注意，在高溫下，熱阻會(huì)增加五倍。使用強(qiáng)制風(fēng)冷的散熱片有較薄、間距更近的鰭片，比如一款風(fēng)扇式CPU冷卻器。如果你的產(chǎn)品沒有風(fēng)扇，則 IC 產(chǎn)生的熱量會(huì)傳導(dǎo)和散播出來，然后傳送到機(jī)內(nèi)的空氣中。接下來，隨著整個(gè)機(jī)器溫度的上升，熱量通過對(duì)流傳送給周圍的空氣，如果你把機(jī)器放在腿上，則部分熱量也會(huì)傳導(dǎo)過來。外殼材料的熱阻就變得很重要。熱量從內(nèi)向外的傳送速度，塑料殼要慢于金屬殼。

做噴氣戰(zhàn)斗機(jī)非機(jī)艙電子設(shè)備的工程師知道，一架噴氣飛機(jī)要飛到高達(dá)7 萬英尺的高空。在這個(gè)高度，空氣非常稀薄，對(duì)流冷卻是無效的。這些系統(tǒng)有一個(gè)帶乙二醇冷卻通道的冷板，確保冷板溫度不高于 80℃。每個(gè)部件都與一個(gè)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(gè)傳熱的夾鉗系統(tǒng)將這個(gè)散熱器壓緊在機(jī)殼的一側(cè)。機(jī)殼的側(cè)面將熱量傳給機(jī)殼所在的冷板。導(dǎo)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(dǎo)。
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(jiǎn)單地乘以第一步估計(jì)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(gè)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(gè)有用的測(cè)量值。半導(dǎo)體制造商的 IC 或封裝設(shè)計(jì)者可能關(guān)心的是當(dāng)熱量從內(nèi)核流至外殼時(shí)IC 的溫升，但你需要更多的信息。你在數(shù)據(jù)表上經(jīng)?？吹降南乱粋€(gè)規(guī)格是從節(jié)點(diǎn)到外界的熱阻ΦJA。該值表示的是當(dāng)部件未連散熱片或未焊到 PCB（印制電路板）上時(shí)的溫升。德州儀器的 Darvin Edwards 指出，ΦJA 對(duì)多數(shù)試圖預(yù)測(cè)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(gè) JEDEC（聯(lián)合電子設(shè)備工程委員會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)電路板測(cè)量ΦJA，讓工程師們看到它并不是一個(gè)封裝常量。一個(gè)電路板是單面的，另一個(gè)是多層電路板。如果你有ΦJB 和ΦJC 規(guī)格，就有更好的機(jī)會(huì)來估計(jì) IC 的真實(shí)溫升。”他還指出，工程師們必須記住ΦJA 測(cè)量時(shí)電路板上沒有其它芯片。當(dāng) IC 周圍有電源和其它散發(fā)熱量的芯片時(shí)，以及當(dāng)電路板處于一個(gè)空間有限的無風(fēng)扇塑料外殼中時(shí)，實(shí)際溫升會(huì)高于ΦJA 測(cè)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(jì)要實(shí)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(jì)工具采用 Flomerics 的 Flotherm 熱分析軟件，計(jì)算靜止空氣中的器件溫度。所有一般的仿真注意事項(xiàng)均適用。如果你的電路有風(fēng)扇和一些氣流，其溫升就較低。如果有機(jī)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(xiàn)5）。圖 9 顯示了一個(gè)計(jì)算機(jī)機(jī)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(gè)解算器可以完成多重物理分析，可以解算超過一個(gè)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(jí)別的熱建模抽象：ΦJB 熱阻，以及 Delphi 緊湊模型標(biāo)準(zhǔn)。Flotherm、Icepak 和很多其它熱分析程序都使用這些模型。

圖 9 一個(gè)計(jì)算機(jī)機(jī)殼發(fā)熱與氣流的分析結(jié)果

熱分析中的最后一步是估計(jì)環(huán)境溫度，這步十分重要。一輛采用風(fēng)冷引擎的摩托車在駕駛時(shí)會(huì)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(huì)上升。電子系統(tǒng)也一樣。例如，實(shí)驗(yàn)室空氣為25℃，工作臺(tái)上的芯片工作在 50℃。當(dāng)將這些芯片放到 50℃的環(huán)境溫度下，芯片的溫度將達(dá)到 75℃。在這個(gè)熱分析步驟中，工程師們有時(shí)無法確定器件可能要運(yùn)行的環(huán)境情況。除了簡(jiǎn)單的運(yùn)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(huì)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?yàn)槠囍圃焐淘谶@個(gè)過程中不會(huì)給它們通電。很多工程師無法判斷環(huán)境會(huì)達(dá)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(duì)零度高幾度，而當(dāng)它們從太陽陰影中移出時(shí)則會(huì)達(dá)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(cè)試開發(fā)工程師 Bruce Robinson 在亞利桑那州的汽車沙漠試驗(yàn)場(chǎng)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(jì)車用電子設(shè)備，一定要考慮到這些。
無疑，當(dāng)大多數(shù)工程師沒有理解環(huán)境溫度的嵌套程度時(shí)，他們就會(huì)失敗。例如，假設(shè)要設(shè)計(jì)一個(gè)部件，用于 CD 播放機(jī)的光學(xué)拾取裝置（圖 10）。你可能會(huì)這么假設(shè)，由于該部件用于消費(fèi)產(chǎn)品，它可能工作在 0℃ ~ 70℃。但好好想想吧。實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)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(dòng)器里，驅(qū)動(dòng)器中有其它元件在加熱空氣，該裝置可能不裝風(fēng)扇。更糟糕的是，播放機(jī)裝在計(jì)算機(jī)內(nèi)，驅(qū)動(dòng)器必須工作在這種環(huán)境溫度下。計(jì)算機(jī)內(nèi)部有自己的熱源和風(fēng)扇，這個(gè)溫度上再加上外部環(huán)境溫度，因此，在工作臺(tái)上測(cè)得的25℃室溫，到了計(jì)算機(jī)內(nèi)就是40℃，CD驅(qū)動(dòng)器內(nèi)是50℃?，F(xiàn)在，如果你把計(jì)算機(jī)放在厄瓜多爾的一個(gè)很熱的閣樓上，情況又該如何？這個(gè)部件必須工作在遠(yuǎn)高于70℃的環(huán)境溫度下。你的職責(zé)是確保它
仍能滿足規(guī)范，并且高溫不會(huì)顯著縮短產(chǎn)品的壽命。
現(xiàn)實(shí)情況
終于完成了設(shè)計(jì)估算和 Spice 仿真，但在開發(fā)過程中的某些時(shí)間內(nèi)，還必須面臨設(shè)計(jì)內(nèi)容的現(xiàn)實(shí)性?，F(xiàn)實(shí)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(dòng)用各種測(cè)量技術(shù)，來驗(yàn)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(huì)被破壞，接下來電路是否會(huì)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(yùn)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(jì)和安裝的機(jī)載娛樂系統(tǒng)（參考文獻(xiàn)6）。機(jī)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(jì)者堅(jiān)持在乘客艙所處的 8000 英尺高度作測(cè)試，他們就會(huì)知道磁盤驅(qū)動(dòng)頭過于靠近母板，整個(gè)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(duì)流冷卻能力減少 20%。驗(yàn)證與現(xiàn)實(shí)相關(guān)的所有工程假設(shè)是保證設(shè)計(jì)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(jī)載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者忽略了這種實(shí)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(cè)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(shí)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(huì)過高地估計(jì)自己手指感受到的熱量，通常，他們會(huì)把只有50℃的溫度估計(jì)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?yàn)槿魏尾考囟雀哂?00℃都是壞消息。同樣，實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)的環(huán)境溫度是最有利的環(huán)境。熱設(shè)計(jì) http://m.0532yewu.com
當(dāng)你完成了粗略估計(jì)后，還必須做一些實(shí)際測(cè)量。多數(shù) DVM（數(shù)字電壓計(jì)）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(cè)量芯片溫度及其周圍的環(huán)境溫度。你應(yīng)該測(cè)量 IC 的溫度比環(huán)境溫度升高的量。National Instruments、IO Tech 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(cè)器）傳感器建立測(cè)量系統(tǒng)。對(duì)于傳感器的尺寸和線纜的規(guī)格要特別小心。當(dāng)測(cè)量一只小型 IC 時(shí)，熱電偶的導(dǎo)線也會(huì)傳導(dǎo)熱量，就像散熱器一樣，這種傳導(dǎo)降低了測(cè)得的溫度。很多制造商還提供非接觸式 IR（紅外）探測(cè)器，但當(dāng)使用這些設(shè)備時(shí)，應(yīng)注意你所測(cè)量表面的發(fā)射率。“發(fā)射率”是一個(gè)表面熱輻射的一種量度，即一個(gè)物體輻射出的能量與一個(gè)“黑體”（或熱黑體表面）輻射熱量之比。一個(gè)黑體是一個(gè)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(xiàn) 7）。一個(gè)光亮的金屬外殼有低的發(fā)射率，因此產(chǎn)生低于實(shí)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(cè)器測(cè)得的值。如要讓電子設(shè)備實(shí)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(dāng)器件在電路中工作時(shí)，許多聰明的半導(dǎo)體制造商都會(huì)自己測(cè)量內(nèi)核本身溫度，他們用的是一片IC 的每個(gè)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(gè)其它腳作測(cè)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(rèn)為，100mA 的電流不會(huì)造成二極管的任何自熱現(xiàn)象。你不需要為部件加電來測(cè)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(huì)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(shí)保持高電平，則將該腳上拉到電源腳。當(dāng)烤箱溫度上升時(shí)，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(shí)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(rèn)沒有外部電流會(huì)妨礙全部 100mA 電流穿過二極管。你必須對(duì)每種 IC 測(cè)量這個(gè)數(shù)據(jù)，不同工藝有不同的電壓/過溫關(guān)系。當(dāng)你準(zhǔn)備對(duì)電路中運(yùn)行IC作測(cè)量時(shí)，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(cè)量電壓差，并推算內(nèi)核的溫度。

ESD方法雖有價(jià)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(huì)有電壓降。這些電壓降可能對(duì)ESD二極管電壓的測(cè)量值有增、減作用。你應(yīng)該向應(yīng)用小組，甚至 IC 設(shè)計(jì)者咨詢是否會(huì)出現(xiàn)這種情況。為抵消電壓降，可以在測(cè)量時(shí)停止供電。注意硅片的發(fā)熱時(shí)間常數(shù)是微秒級(jí)，因此你必須用一臺(tái)快速示波器或采集系統(tǒng)測(cè)量，保證測(cè)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(gè)擔(dān)心是，IC芯片并不是等溫的，即它們?cè)诳臻g和時(shí)間上都不具備相等或恒定溫度。測(cè)量ESD二極管時(shí)并不能永遠(yuǎn)保證測(cè)到的是內(nèi)核的最熱點(diǎn)。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(shí)的IR熱成像圖（圖12）。圖中明亮的白點(diǎn)比ESD 二極管所在的內(nèi)核邊沿高 25℃。當(dāng)器件工作在高溫下時(shí)，可能需要降級(jí)使用（參考文獻(xiàn)8）。在 150℃時(shí)，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(cè)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(shí)測(cè)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(gè)隱蔽的現(xiàn)象，因此，當(dāng)在烤箱中獲取導(dǎo)通電阻數(shù)據(jù)的時(shí)候，必須為 FET 加一個(gè)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(cè)量只是檢查真實(shí)情況，驗(yàn)證自己的假設(shè)與估算的一個(gè)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(huì)在亞利桑那州和加拿大做跟

蹤測(cè)試，對(duì)于電子測(cè)試，采用臺(tái)面測(cè)試室或溫度強(qiáng)制系統(tǒng)，如Thermonics的T-2500E型（圖13）。要確保使用的電纜和測(cè)試線可以承受熱量。Brown BNC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(xiàn)9）。熱風(fēng)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(fēng)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(diǎn)。測(cè)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(shí)際的環(huán)境。
總之，必須在設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)時(shí)牢記熱設(shè)計(jì)的危險(xiǎn)，小心可以毀掉設(shè)計(jì)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(huì)增加或減少你電路中的熱量。同樣重要的是與小組中的機(jī)械工程師交流熱問題。他們可能是你確保良好熱設(shè)計(jì)的最佳伙伴。如果經(jīng)理準(zhǔn)備去掉風(fēng)扇，并將外殼從金屬改為塑料時(shí)，你應(yīng)該準(zhǔn)備好熱電偶和測(cè)試室，向他表明這不是個(gè)好主意。

參考文獻(xiàn)
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(shè)計(jì)資料下載：  熱分析與熱設(shè)計(jì)技術(shù).pdf

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