集成電(diàn)路热管理(lǐ)

2021-04-07

正如设计和制造電(diàn)子设备的任何人都知道的那样，该设备在开机时会产生热量。无论電(diàn)流流过阻抗的何处，由于热力學(xué)定律，无论是在组件，连接，布線(xiàn)还是在PCB中，能(néng)量损耗都会表现為(wèi)热量。损失越大，产生的多(duō)余热量就越大。 

虽然具有(yǒu)耐热增强型封装的组件可(kě)用(yòng)于帮助管理(lǐ)产生的热量，但電(diàn)子设计的趋势是具有(yǒu)更紧凑的组件和更高的组件密度。集成電(diàn)路封装正变得越来越小(xiǎo)以适应这种趋势，但是以较差的热性能(néng)為(wèi)代价。

在半导體(tǐ)器件中，组件栅极已缩小(xiǎo)至纳米尺寸，单个裸片现在可(kě)以包含由数十亿个晶體(tǐ)管形成的数百万个栅极。摩尔定律已标志(zhì)着这种渐进的小(xiǎo)型化，并预测它将持续到不久的将来，直到基础技术发生变化為(wèi)止。尽管每款新(xīn)一代的更小(xiǎo)，更快的设备都為(wèi)设计人员提供了更多(duō)的功能(néng)，但它们在相同的组件占位面积上却产生了更多(duō)的热量。

对半导體(tǐ)的影响

半导體(tǐ)器件的过度加热会对器件的运行产生若干影响。半导體(tǐ)材料本身的特性由于電(diàn)迁移效应而随温度变化。超出设备的温度限制，设备的性能(néng)可(kě)能(néng)不符合其规格并产生意外的行為(wèi)。半导體(tǐ)依靠键合来实现从PCB焊盘到管芯衬底的连接，如果暴露在高温下，这些键合的完整性可(kě)能(néng)会受到损害。 

另一个要考虑的因素是设备开启，关闭或受到脉冲负载影响时的热应力影响。由于所用(yòng)材料的性质及其与周围环境的热连接，因此，随着温度的变化，devipower線(xiàn)的快速循环是相当缓慢的循环。另一方面，芯片在改变状态时会经受快速的温度变化，例如電(diàn)源線(xiàn)的快速循环。 

半导體(tǐ)器件通常由结合到与铜基板相连的绝缘基板上的芯片组成。由于热应力会使半导體(tǐ)器件内的不同层变形，因此该热应力会引起功率循环寿命故障。设备制造中使用(yòng)的各种材料可(kě)能(néng)会以不同的速率扩展。这可(kě)能(néng)导致材料破裂或分(fēn)层，或者由于封装材料的膨胀而在芯片上施加应力。这样的影响会导致设备过早失效，从而对可(kě)靠性产生不利影响。

这可(kě)以归结為(wèi)这样的断言：工作温度越高，可(kě)靠性越低。器件的数据表将在特定温度（通常為(wèi)标准室温）下提供预计的平均故障前时间（MTBF）。有(yǒu)一个普遍的（非常粗略的）经验法则，工作温度每升高10 o C，MTBF就会减半。这是基于化學(xué)的历史证据，化學(xué)反应的速率往往会随着每10 o C的变化而翻倍，从而导致指数增加。

挑战在于从半导體(tǐ)材料中提取热能(néng)，并将其尽可(kě)能(néng)快而有(yǒu)效地倾倒到周围环境中，以保持器件的可(kě)靠性。

设备等级

半导體(tǐ)器件的数据表将指定其工作温度范围。通常，这将是0 Ò C至70 ö下一个标准的商(shāng)业产品或潜在-40 Ò C至85 ö下使用(yòng)工业级的一部分(fēn)。如果需要，可(kě)以提供具有(yǒu)更大范围的军用(yòng)规格零件，但单位成本更高。实际上，各种产品之间没有(yǒu)什么區(qū)别。它们的制造余量意味着商(shāng)业零件可(kě)以在军用(yòng)规格范围内工作。通常取决于对更高规格的组件进行更严格的测试，以确保它们符合所需的操作领域。

绝对最大额定值（AMR）将定义工作极限，包括工作温度和结温。设备制造商(shāng)基于在最坏的可(kě)能(néng)工作条件下提供设备可(kě)接受的可(kě)使用(yòng)性来选择这些值，这些条件包括電(diàn)源電(diàn)压的变化，负载的变化，信号的变化以及允许的环境条件。AMR将取决于制造商(shāng)指定的任何建议操作条件下的用(yòng)户。

热阻

对于半导體(tǐ)器件，热阻测量器件如何抵抗热量从结到其外表面的流动。用(yòng)符号θ表示并以o C / W表示，電(diàn)阻越低，器件将热量从结点抽出并从可(kě)以应用(yòng)外部冷却机制的器件中抽出的效率就越高。单位似乎有(yǒu)点奇怪。但是，这非常实用(yòng)-单位是两个热量点之间的温度差（以摄氏度為(wèi)单位）（如果您有(yǒu)1瓦热量）。因此140 o C / WθJA表示半导體(tǐ)结与周围环境之间的温度差為(wèi)140 o C，在结上施加1瓦热量。

通常，元件的数据表会指定结点对周围环境的热阻，称為(wèi)θJA。或者，它可(kě)以被分(fēn)解成从结到的情况下，指定θ热阻JC，并从壳體(tǐ)到周围环境，θ CA。 

因此，可(kě)以使用(yòng)器件的热阻，器件内消耗的全部功率以及最大环境温度来计算最大结温。

热阻将取决于管芯周围的铜量，用(yòng)于封装的材料，材料的厚度，甚至管芯在设备中的取向。

值得一提的另一个因素是模具材料本身。与传统的碳化硅基材料相比，允许无缺陷的砷化硼衬底的技术的引入使热阻显着降低，并且低于铜。但是，这样的设备超出了普通電(diàn)子工程师的能(néng)力和预算。

稳态和瞬态注意事项

需要牢记的重要一点是，由于温度过高而导致的故障机制不太可(kě)能(néng)由较高的稳态温度引起。它们更可(kě)能(néng)是由温度梯度，温度循环幅度的变化以及温度变化率的影响更為(wèi)明显引起的。处理(lǐ)功率脉冲而不是稳态功率的半导體(tǐ)器件更容易发生与热相关的故障。这里的信息是设备的操作方式与其操作环境同样重要。如果设备正在处理(lǐ)高频脉冲信号，则与处理(lǐ)变化相对较慢的信号相比，它将需要更强大的热管理(lǐ)解决方案。

随着分(fēn)立组件中半导體(tǐ)器件的日益使用(yòng)以及将其封装到越来越小(xiǎo)的器件中的要求，热设计的重要性日益提高。标准做法是对设备执行稳态热分(fēn)析，并根据结果结果提供计算出的冷却水平，以达到所需的可(kě)靠性。但是，根据设备的实际操作模式，瞬态热分(fēn)析可(kě)能(néng)会很(hěn)好地确定该冷却水平不足。问题在于，稳态热分(fēn)析要简单得多(duō)，而且要快得多(duō)。诱惑在于执行稳态分(fēn)析，基于工程判断添加安全系数，或带走设备并在现场监视温度，以查看長(cháng)期来看是否存在可(kě)靠性问题。

散热解决方案

散热的典型起点是将PCB本身用(yòng)作被动冷却方法。如果空间和组件放置允许，则使用(yòng)具有(yǒu)低热阻的铜PCB迹線(xiàn)是低成本的热管理(lǐ)解决方案的理(lǐ)想选择。小(xiǎo)心地在半导體(tǐ)下方和周围放置铜多(duō)边形会带走器件的热量，并将其散布到PCB的其余部分(fēn)。如果该半导體(tǐ)器件是用(yòng)位于裸片下方的大面积铜芯制造的，则这特别有(yǒu)效。管芯直接放在该凸块上，并暴露在包装的下侧，以直接靠着PCB的表面放置，以最大程度地提高热流。然而，更复杂的半导體(tǐ)器件是用(yòng)堆叠管芯制造的，其中热量提取会更加复杂。

明显的不利之处是散发的热量会影响板上的其他(tā)组件。相反，任何其他(tā)热设备（例如功率FET）本身都可(kě)以将热量散发到半导體(tǐ)中。整个電(diàn)路板的热分(fēn)析对于确保整體(tǐ)热管理(lǐ)解决方案有(yǒu)效是必不可(kě)少的。電(diàn)路板任何关键區(qū)域都不会出现可(kě)能(néng)影响温度敏感组件的热点。

散热器是用(yòng)于為(wèi)半导體(tǐ)器件提供局部散热的另一种常用(yòng)技术。基本原理(lǐ)是具有(yǒu)金属结构，该金属结构具有(yǒu)尽可(kě)能(néng)大的物(wù)理(lǐ)附着到半导體(tǐ)器件的表面积。与依靠小(xiǎo)面积的热量散发热量相比，热量可(kě)以更有(yǒu)效地从设备散发出去。通常，热界面材料用(yòng)于将散热器粘合到半导體(tǐ)上，半导體(tǐ)本质上是具有(yǒu)非常低热阻的粘合剂。标准的散热器使用(yòng)铝制结构，散热片上覆盖有(yǒu)鳍片，以最大程度地增加表面积，并為(wèi)感应散热器附近的热空气由于对流产生的运动提供路径。当空气温度变得足够高于环境空气温度时，就会发生这种情况。

如果仅散热器无法提供所需的散热水平，则使用(yòng)风扇在散热器的散热片上添加强制气流将比仅依靠对流更快地用(yòng)周围空气代替温暖的空气。重要的是要注意，该设备必须设计成允许不受阻碍的气流从外部穿过散热器，然后再从冷却设备中流出，以发挥作用(yòng)。一个缺点是这种布置可(kě)能(néng)将灰尘和污染物(wù)吸入设备，这可(kě)能(néng)会影响整體(tǐ)可(kě)靠性或潜在地降低散热器的热效率。 

如果空间有(yǒu)限，另一种解决方案是热管。作為(wèi)现成的设备可(kě)用(yòng)，热管為(wèi)将热量从電(diàn)路板上的热点被动转移到较冷的位置提供了一种可(kě)靠且具有(yǒu)成本效益的方法。通常，热管包含少量的吸热液體(tǐ)，例如加压的氮气，氨水或丙酮。流體(tǐ)吸收热量并变成蒸气，蒸气沿着管道流向冷凝器。在这里，它凝结回液态，然后返回循环的热源重新(xīn)开始。它的主要优点是它是无源部件，没有(yǒu)活动部件，也没有(yǒu)维护要求。然而，成本可(kě)能(néng)很(hěn)高，并且在PCB上安装可(kě)能(néng)具有(yǒu)挑战性。

其他(tā)解决方案，包括液冷冷却板或珀尔帖效应冷却板，都是可(kě)能(néng)的选择。尽管如此，成本和复杂性仍显着增加，对于许多(duō)消费者而言，使它们成為(wèi)目标设备预算并不切实际。

PCB散热建议

如果您可(kě)以将PCB用(yòng)作无源散热解决方案，请参考以下一些建议，以尽可(kě)能(néng)提高效率。

第一步，检查设计并查看是否有(yǒu)减少热量成分(fēn)的选项。更改组件，重新(xīn)设计電(diàn)路或重新(xīn)考虑電(diàn)源通常可(kě)能(néng)是成功的策略。预防总比治疗好。

在设计允许的范围内使用(yòng)尽可(kě)能(néng)大的铜面积。如果您不受電(diàn)路板尺寸的限制，请考虑增加電(diàn)路板面积以获得更多(duō)的表面积以用(yòng)于散热。请勿用(yòng)阻焊剂覆盖将用(yòng)于散热的任何铜，因為(wèi)这会增加整體(tǐ)热阻，从而无法使用(yòng)裸露的铜。利用(yòng)多(duō)层板，在多(duō)层上使用(yòng)區(qū)域，并将它们与大量过孔连接起来，以最大程度地提高它们之间的热耦合。散热通孔具有(yǒu)优势只要您有(yǒu)足够的空间将它们容纳在PCB布局中，它们就会增加板上铜的质量和面积，从而降低热阻并以较小(xiǎo)的努力提供更好的散热效果。这些散热通孔需要放置在尽可(kě)能(néng)靠近任何热源的位置，以使其有(yǒu)效。另外，请使用(yòng)可(kě)以使用(yòng)最厚铜的PCB。这直接影响热量在整个板上的传导速度。

為(wèi)電(diàn)路板提供自然通风，使空气可(kě)以自由地流过電(diàn)路板的表面，理(lǐ)想的方式是允许在整个表面區(qū)域均匀加热。因此，这可(kě)以最大程度地减少形成滞空空气的任何热气和冷气的风险，这可(kě)能(néng)会导致冷却不均。

如果您的PCB安装在外壳中，请选择一种由低热阻材料制成的外壳，然后将PCB热耦合到该外壳上。考虑使用(yòng)鳍，脊或简单凸起的设计图案来最大程度地增加外壳的表面积。如果设备的外壳允许，请垂直调整PCB的方向，以利用(yòng)热空气上升和冷空气下沉的自然趋势，从而增加自然对流的气流速率。

如果被动气流冷却不足，请考虑添加一个风扇，将环境空气推到板上或将热空气拉走。理(lǐ)想情况下，应将风扇放置在任何自然对流通道的一端，以增强这种自然气流，而不要逆着它流动。确保空气自由流动；如果将设备放置在柔软的表面上会阻塞进气口，则在设备底侧设置进气通道是没有(yǒu)用(yòng)的。另外，如果强制空气中可(kě)能(néng)包含灰尘，或者如果设备将在可(kě)能(néng)存在空气中颗粒物(wù)或污染物(wù)的地方运行，请考虑使用(yòng)某种类型的过滤器。