保持太空芯片凉爽可(kě)靠

2021-10-20

保持太空芯片凉爽可(kě)靠

随着 COTS 和航天级半导體(tǐ)越来越多(duō)地以更快的速度切换更多(duō)電(diàn)路，设计人员面临的一个关键挑战是通过防止设备过热来确保其安全可(kě)靠的运行。允许的最大结温保持不变，如果在任何时间長(cháng)度内超过其绝对限值，例如金属迁移、栅极氧化层失效和参数性能(néng)变化，部件就会损坏。温度升高还会导致封装内不同材料之间或与 PCB 之间的热膨胀不匹配，从而导致界面应力和翘曲。

我最近与一家著名的 FPGA 供应商(shāng)进行了交谈，他(tā)最新(xīn)的高端设备消耗 100 W。如果将等效额定灯泡的表面积与芯片的表面积进行比较，则灯泡的热通量密度比IC小(xiǎo)13倍左右！这太惊人了，我敢肯定您不会想要触摸 100 W 的热灯泡！半导體(tǐ)的可(kě)靠性和寿命与结温成反比，从微芯片通过封装到周围环境的有(yǒu)效散热对于优化设备和系统性能(néng)至关重要。摩托罗拉先前估计，当温度高于 100°C 时，每升高 10°C，半导體(tǐ)的工作寿命就会减少一半——这是温度函数的指数下降！

随着小(xiǎo)型卫星以具有(yǒu)更高热阻的低成本塑料封装 IC 為(wèi)基准，并且随着 PCB 变得更加集成，使用(yòng)低阻抗 PDN 将低電(diàn)压、高電(diàn)流负载定位在其稳压器旁边，物(wù)理(lǐ)空间更小(xiǎo)，通常没有(yǒu)可(kě)用(yòng)于将外部散热器连接到热组件的财務(wù)预算。考虑到航空電(diàn)子设备制造商(shāng)的入轨时间压力，了解如何保持半导體(tǐ)冷却将确保您的设计一次成功，并在任務(wù)的预期生命周期内可(kě)靠运行。

通常，塑料封装的 QFP 半导體(tǐ)中产生的大约 80% 的热量是通过其引脚传导而去除的，金属引線(xiàn)框架将器件内产生的热量传递出去（图 1）。通常，剩余的 20% 会被对流带走，但是，在空间真空中，这不是一个选择。随着结变热，它们变得不那么可(kě)靠并且更容易受到長(cháng)期热加速故障的影响。零件的成功设计依赖于使它们保持凉爽，以便它们在安全操作范围内发挥作用(yòng)。

图 1标准塑料封装的冷却。

传导和辐射是在轨用(yòng)于从半导體(tǐ)中去除热量的技术，在这篇文(wén)章中，我想重点介绍将 PCB 重新(xīn)用(yòng)作带有(yǒu)裸露焊盘的含铅或 QFN 芯片的散热器。这通常接地并焊接到 PCB 上的相应焊盘，该焊盘使用(yòng)热通孔電(diàn)连接到堆栈内的一个或多(duō)个接地或電(diàn)源层，以增加用(yòng)于冷却的有(yǒu)效表面积。

这种散热方法利用(yòng)了高导热性，并且带有(yǒu)焊盘的器件在结和外壳之间具有(yǒu)低得多(duō)的热阻，即Ө JC，以允许热量从封装底部传导，然后使用(yòng)铜平面在封装内横向扩散PCB 堆栈（图 2）。如果过孔是通孔，则辐射可(kě)以进一步从器件和電(diàn)路板带走热量，但要实现这一点，PCB 的另一侧必须“看到”较低的环境温度，例如冷面。外部散热器也可(kě)以连接到電(diàn)路板的这一侧。

图 2外露式塑料封装的冷却。

当从热结点到冷结点存在温差时，热量会流动，并且热阻最低的路径将吸收最多(duō)。类似于欧姆定律的简化電(diàn)阻模型通常用(yòng)于关联散热、温升和热阻（图 3）。这可(kě)用(yòng)于估计 PCB 面积、散热孔、铜厚度和外部散热对结温和可(kě)靠性的影响。

電(diàn)阻電(diàn)路将電(diàn)荷、電(diàn)流、電(diàn)位和欧姆電(diàn)阻的電(diàn)量分(fēn)别建模為(wèi)热量、功率、温度和热阻抗，如下所示。热量从半导體(tǐ)结流经其外壳/封装，然后进入散热器、PCB 平面、外部或两者。您只需将功耗乘以所有(yǒu)单个热阻的总和即可(kě)计算高于环境的温升，即T J = P DISS * (θ JC  + θ CS  + θ SA ) + T A。

图 3等效热回路。

θ 定义了从一种结构转移到另一种结构时遇到的電(diàn)阻热，例如，从结到外壳，θ JC。这以每单位热流的温差 (°C/W) 表示，并取决于芯片厚度、表面积和封装材料的热导率。例如，对于具有(yǒu)100 °C/W的结到空气热阻 θ JA的器件，每消耗一瓦的功率，芯片和环境之间的温度就会升高 100°C。θ JA主要用(yòng)于对同一环境中使用(yòng)的不同封装进行评级，不应用(yòng)于预测空间電(diàn)子元件的热性能(néng)。

当重新(xīn)使用(yòng) PCB 的接地层来冷却半导體(tǐ)时，由于大部分(fēn)热量是通过裸露焊盘传递到 PCB 的，因此最关键的值是 PCB 的热阻，Ө CS。我们需要确定我们的電(diàn)路板尺寸，即平面表面积，并设计我们的堆栈，即用(yòng)于散热的平面数量、它们的铜厚度以及是否使用(yòng)散热孔，以达到所需的 Ө CS以实现可(kě)靠的结温（图 4）。

图 4典型 PCB的扩展热阻模型。

大致来说，温升与功耗成正比，与表面积成反比。冷却和维持模具在目标温度所需的总面积可(kě)以近似為(wèi)：

此时的一个关键问题是需要多(duō)大的板（平面）面积来传导被测设备的热量，以使其在安全结温下可(kě)靠运行。满足目标 Ө CS所需的最小(xiǎo) PCB 尺寸可(kě)以使用(yòng)以下公式近似计算：  

图 5显示，PCB 的总热阻可(kě)以通过将所有(yǒu)单独层的热阻相加来计算，每个层的热阻使用(yòng)其厚度、横截面积和材料热导率K进行估算，例如， K = 355 W/ mK 用(yòng)于铜，0.25 用(yòng)于 FR4，58 用(yòng)于 SnAgCu，无铅焊料和 0.21 用(yòng)于阻焊层：

图 5四层一平方英寸 PCB  的热阻。

使用(yòng)热通孔、更厚的铜和基板的垂直热阻可(kě)以降低总 Ө CS：开放通孔比填充通孔具有(yǒu)更高的热阻，因為(wèi)垂直于热源的面积减少了。多(duō)个通孔增加了表面积，降低了它们的总热阻，然后与介電(diàn)层的热阻平行，以计算出较低的等效值：

在制造过程中增加镀层厚度可(kě)以提高通孔的热导率。您还需要确保您的平面尺寸适合承载所需的负载電(diàn)流，并且相关的温升已在预算内并符合 PCB 材料的要求。从图3中，Ts变成了板子的温度！

您应该使用(yòng)多(duō)少平面层来散热？什么厚度和覆盖率？您如何知道是否需要散热孔？多(duō)少，什么直径和间距？铜填充还是空的？PCB 的另一侧是否也需要外部散热器？执行上述分(fēn)析以降低整體(tǐ)热阻 Ө CS，一旦结温升高满足您的可(kě)靠性需求，您就大功告成了！在某些时候，如果增加更多(duō)的散热片会增加复杂性和成本，而实际上并没有(yǒu)促进冷却，那么您将达到收益递减点。

一些器件（例如線(xiàn)性稳压器）提供不同的封装类型和尺寸，每种封装类型和尺寸都有(yǒu)自己的热导率和额定電(diàn)流（图 6和7）。如下所示，最小(xiǎo)的将具有(yǒu)更高的热阻，从而导致结温升高。对于一位客户，我不得不将 PFM 部件更换為(wèi)更大的 TO 外壳，因為(wèi)前者过热，由于其热断路器，它只能(néng)间歇性地运行。

图 6 LM117 相对封装尺寸和负载電(diàn)流额定值的比较。

图 7封装的散热和面积比较。

CGA/BGA 器件通常包含专用(yòng)的热柱/球，以使用(yòng)通孔為(wèi) PCB 堆栈内的接地层提供散热路径。在電(diàn)气方面，这种低阻抗返回也有(yǒu)助于抗噪性和EMC设计。对于 CGA/BGA 封装，θ JC定义為(wèi)从结到外壳顶部的热阻抗。塑料和陶瓷封装的航天级半导體(tǐ)的典型值范围為(wèi) 0.15 至 22 °C/W。这些值支持连接外部散热器以确保设备结温保持在其安全工作區(qū)域内。

散热器将热量从热接点传导出去，材料的选择（例如铝或铜）、翅片设计和表面处理(lǐ)都会影响其冷却性能(néng)。表面积越大，封装和散热器之间的热阻值 θ CS越低，向环境或冷面的热传递越好。

热半导體(tǐ)和环境之间的总热阻是所有(yǒu)单个電(diàn)阻的总和，例如，结和外壳之间的热阻θ JC、封装和散热器之间的热阻 θ CS以及后者和周围空气之间的热阻θ SA，即θ = θ JC  + θ CS  + θ SA。这些值中的每一个都可(kě)以从制造商(shāng)的数据表中轻松获得。要指定散热器的尺寸，上面的简化的稳态传热模型可(kě)以重写為(wèi)：θ = ΔT / P D，这给出了我们的设计在不过热的情况下可(kě)以承受的芯片和环境之间的最大热阻值。例如，如果器件功耗為(wèi) 10W，结温為(wèi) 125°C，环境温度為(wèi) 25°C，则热阻最大值為(wèi) (125-25)/10 = 10°C/W。在实践中，通常使用(yòng)T J的降额值，例如100°C。如果 θ JC為(wèi) 2.5°C/W 且 θ CS為(wèi) 0.5°C/W，则散热器与周围空气之间所需的热阻抗 θ SA必须小(xiǎo)于 10 – 2.5 – 0.5 = 7°C/ W. 这是指定散热器的方法，下一步是选择一个在物(wù)理(lǐ)上适合您的子系统，当然还有(yǒu)预算！

一些航天级 CGA/BGA 包含一个内部铜块（或盖子），用(yòng)于将热量从芯片扩散到周边和 PCB，如下所示（图 8）：

图 8航天级塑料和陶瓷 CGA/BGA 封装。

之前，一位客户联系了我，他(tā)设计了一个 CGA 封装的昂贵的太空级 FPGA，并在硬件测试期间发现该设备过热。虽然我们能(néng)够就如何為(wèi)器件供電(diàn)和使用(yòng)以降低其整體(tǐ)耗散提出许多(duō)建议，例如分(fēn)别使用(yòng)较低的内核電(diàn)压和较少消耗的 I/O，但在航空電(diàn)子设备的调试。制造前的热分(fēn)析、功率预测電(diàn)子表格和 HDL 模拟会警告我们的客户即将出现的可(kě)靠性问题。这些表明需要使用(yòng)外部、物(wù)理(lǐ)和/或平面 PCB 散热器来去除结中的多(duō)余热量，以确保 IC 的安全运行。

半导體(tǐ)散热器热阻的概念是一种近似值：它不考虑器件上的非均匀分(fēn)布，仅对处于热平衡状态的系统进行建模，即不考虑温度随时间的变化，也不考虑它反映了辐射和对流相对于温升的非線(xiàn)性。但是，制造商(shāng)指定了散热器和半导體(tǐ)的典型热阻值，这简化了他(tā)们的选择。