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(多图) 热分析与热设计技术

Paul Rako?? EDN技术编辑?? 2007年07月13日 ?? 收藏0

  温度的变化会使电路行为难以预料,甚至造成毁灭性的故障。本文给出一些技巧,留心寻觅设计对极限温度的反应。
  要 点
  低温带来的问题多于高温。
  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。


  热与冷都会对电路造成负面影响。在极高温下,芯片可能烧毁(图1)。更常见的情况是,如果你的设计达到未曾预料的温度,很多部件都可能超出规定极限。当出现这种情况时,电路就可能表现出难以预料的行为。另外一个情况也同样值得关注,即电路温度从热到冷,然后又从冷到热。这种状况会造成热冲击,也会毁坏元件。很多工程师并不关心自己的电路在低温下的性能,但这种忽视是一个错误。半导体器件的性能在低温下会发生显著变化。双极晶体管的基射结电压在低温下会大大升高(图 2 和参考文献 1)。Analog Devices 产品开发工程经理 Francisco Santos 说:“如果你要设计一个能够在负温度下工作于1.8V的放大器,就要考虑当从室温降到-40℃时,VBE(基射电压)会增加 130mV。这种情况

将迫使设计者采用一组完全不同的放大器架构。”

  很多放大器,如Analog Devices 的AD8045,在冷却时会加速(图3),而有些放大器(如AD8099)则在变冷时会降速。已退休的Linear Technology 信号处理产品前副总裁兼总经理Bill Gross称:“双极晶体管在低温下遇到的多数麻烦是低电压工作。”他认为,较高的基射电压和较小的电流增益都更难于满足规格要求。他说:“较低的输入阻抗和b(电流增益)的不匹配都会造成低温下的大问题。尤其是当它们为室温运行作了调整时。较高的gm(跨导)很容易通过改变工作电流而得到补偿,但这样的话转换速率就会变化。”

  低温会造成振荡、不稳定、过冲,以及不良的滤波性能。百万分之几测量法可以改变你的元件在高温和低温下的值。如果你预计IC内核工作在 -55℃ ~ +85℃,则在25℃环境下只需60℃就到了最高温度上限,而从环境温度到-55℃是80℃温差。所以,要查明你的错误就应检查热与冷两种情况。Kettering大学(密歇根州 Flint)电气工程教授James McLaughlin认为,当你将硅片加热超过数百度时,它会“本质化”。换句话说,温度足够高时,掺杂物会通过晶格作迁移,不再存在 PN 结,而只是一块不纯的导电硅片。那么连接线是否会爆炸?还是硅片继续加热至熔融,直至挥发掉?

图1这个电动汽车控制器遇到了灾难性的故障

  IC 在较高温度下运行时的损坏难以捉摸。美国国家半导体公司的顾问和前产品工程师 Martin DeLateur 指出,在高于 165℃的温度时,模塑材料开始碳化。此时,模塑材料会转变成为一种坚硬的灰色材料。释气,即某些材料捕捉、冷冻、吸收或吸附的气体的缓慢释放,会造成聚合添加物如阻燃剂的释放。在低电平下,这种释气可以影响一片 IC 的长期和短期运行,因为它给芯片增加了离子或表面效应。连接线可能传输过高的电流,也会造成模塑材料的碳化。过高的电流会使碳管硬化,它可能使连接线熔化,从而保持管内导电状态。最后,更高的热扩张会使钝化层、内核,或碳化模制化合物产生开裂,导致大规模故障。(军用规范将过高电流定义为超过 1.2×105A/cm2,因此军队强烈要求 IC 采用全密封的封装。)当内核上没有塑料材料时,就不会发生烧焦和退化现象。油井仪器公司经常以 200℃对使用在自己产品中的硅 IC 进行测试并确定其特性。这些产品寿命有限,但工作时间仍比它们采用塑料封装的情况要长得多。即使内核温度低于150℃,IC的寿命周期也会缩短。

双极晶体管的基射结电压在低温下会大大升高图2

图3此放大器的波德图显示器件在冷却时速度提高在尖峰处也有增加表明自身在时域内振铃


  1884 年,荷兰化学家 Jacobus H van't Hoff 率先提出了 Arrhenius 方程,而瑞典化学家 Svante Arrhenius 则在五年后对其作了物理验证和解释。这个方程是:k=Ae(-Ea/RT),其中k是速率系数,A 是一个常量,Ea 是活化能量,R 是普适气体常数,而 T 是以k为单位的温度。Arrhenius 最初将该方程用于化学反应,描述反应速度随温度而加快(参考文献2与参考文献 3)。今天的工程师们也用它描述电子器件在高温下工作时的较短寿命。方程表明,温度每升高 10℃,器件的寿命减半。因此,降低设计中硅片的温度很重要。如果你能将 IC 温度从 85℃降低到 65℃,这些元件的寿命就能增加四倍。


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热分析? 热设计? 温度?

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