- 用熱阻來計算芯片的溫度。
- ESD二極管和溫度探頭有助測量熱量
- 熱成像相機可以揭示設計中隱藏的問題
- Spice與有限元分析軟件在熱設計中很有用
多數電子工程師都很熟悉用熱阻作為一種熱分析技術。熱阻的表示單位是每瓦攝氏度。只需簡單地乘以第一步估計的瓦數，就可以獲得部件將增加的溫度（攝氏度）。但這里需注意幾個問題，要查看部件數據表上有關熱阻規格的隱藏信息。從內核到外殼的熱阻ΦJC不是一個有用的測量值。半導體制造商的IC或封裝設計者可能關心的是當熱量從內核流至外殼時IC的溫升，但你需要更多的信息。你在數據表上經常看到的下一個規格是從節點到外界的熱阻ΦJA。該值表示的是當部件未連散熱片或未焊到PCB（印制電路板）上時的溫升。
德州儀器的DarvinEdwards指出，ΦJA對多數試圖預測結溫的工程師來說是沒有用處的。他說：“有用的是從內核到電路板的熱阻（ΦJB），以及從內核到封裝表面的熱阻（ΦJC）。我們用兩個JEDEC（聯合電子設備工程委員會）標準電路板測量ΦJA，讓工程師們看到它并不是一個封裝常量。一個電路板是單面的，另一個是多層電路板。如果你有ΦJB和ΦJC規格，就有更好的機會來估計IC的真實溫升。”他還指出，工程師們必須記住ΦJA測量時電路板上沒有其它芯片。當IC周圍有電源和其它散發熱量的芯片時，以及當電路板處于一個空間有限的無風扇塑料外殼中時，實際溫升會高于ΦJA測量給出的值（圖8）。還要記住，多數IC的塑料頂面都幾乎不傳送熱量。環氧樹脂塑料的熱傳導能力為0.6W/mK～1W/mK（米-開爾文），而銅的導熱能力是400W/mK。因此，銅的導熱能力比塑料高400倍~600倍，重要的是PCB設計要實現熱傳導的最大化。
估算電路板散熱還有更多的復雜方法。
美國國家半導體的Webench在線設計工具采用Flomerics的Flotherm熱分析軟件，計算靜止空氣中的器件溫度。所有一般的仿真注意事項均適用。如果你的電路有風扇和一些氣流，其溫升就較低。如果有機箱，里面還有其它器件，其溫升就高。Flomerics采用有限元方案技術（參考文獻5）。圖9顯示了一個計算機機殼發熱與氣流的分析結果。很多其它有限元解算器也可以分析這種問題。例如，Comsol的一個解算器可以完成多重物理分析，可以解算超過一個問題的偏微分方程，如一只部件的熱響應，部件的導熱性能隨其溫度而變化。TI的Edwards指出，他的公司提供二種級別的熱建模抽象：ΦJB熱阻，以及Delphi緊湊模型標準。Flotherm、Icepak和很多其它熱分析程序都使用這些模型。
熱分析中的最后一步是估計環境溫度，這步十分重要。一輛采用風冷引擎的摩托車在駕駛時會遇到周圍環境的某種溫升。如果環境空氣升高10℃，則氣缸頭溫度也會上升。電子系統也一樣。例如，實驗室空氣為25℃，工作臺上的芯片工作在50℃。當將這些芯片放到50℃的環境溫度下，芯片的溫度將達到75℃。在這個熱分析步驟中，工程師們有時無法確定器件可能要運行的環境情況。除了簡單的運行以外，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使所有電子設備暴露在高溫下，超過汽車在使用壽命中遇到的溫度。部件能耐過這種條件，因為汽車制造商在這個過程中不會給它們通電。很多工程師無法判斷環境會達到何種極端境地。我們都知道，外層空間中的衛星溫度可以低至只比絕對零度高幾度，而當它們從太陽陰影中移出時則會達到攝氏幾百度。
地球上也存在著挑戰性的環境。美國尼桑公司測試開發工程師BruceRobinson在亞利桑那州的汽車沙漠試驗場工作。他說，尼桑一般估算的最高溫度如下：白天環境溫度46℃，車內空氣溫度81℃，儀表板表面最高溫度111℃，車內元件溫度82℃。換句話說，你可以在儀表板上燒開水。如果你設計車用電子設備，一定要考慮到這些。
無疑，當大多數工程師沒有理解環境溫度的嵌套程度時，他們就會失敗。例如，假設要設計一個部件，用于CD播放機的光學拾取裝置（圖10）。你可能會這么假設，由于該部件用于消費產品，它可能工作在0℃~70℃。但好好想想吧。實驗室工作臺上的部件可能是工作在25℃環境下。而光功率件是要安裝在CD驅動器里，驅動器中有其它元件在加熱空氣，該裝置可能不裝風扇。更糟糕的是，播放機裝在計算機內，驅動器必須工作在這種環境溫度下。計算機內部有自己的熱源和風扇，這個溫度上再加上外部環境溫度，因此，在工作臺上測得的25℃室溫，到了計算機內就是40℃，CD驅動器內是50℃。現在，如果你把計算機放在厄瓜多爾的一個很熱的閣樓上，情況又該如何？這個部件必須工作在遠高于70℃的環境溫度下。你的職責是確保它仍能滿足規范，并且高溫不會顯著縮短產品的壽命。
現實情況
終于完成了設計估算和Spice仿真，但在開發過程中的某些時間內，還必須面臨設計內容的現實性。現實性包括以正確的形式將電路原型化、安裝和最后修整。然后，你可以動用各種測量技術，來驗證迄今用到的所有美妙理論。重要的是盡可能近似地重現預期的工作環境。你應優先確定電路是否會被破壞，接下來電路是否會保持良好狀態，最后，電路能否在所有條件下都如預期一樣運行。
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，原因是不良設計和安裝的機載娛樂系統（參考文獻6）。機載娛樂網絡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。如果生產該系統的小型企業設計者堅持在乘客艙所處的8000英尺高度作測試，他們就會知道磁盤驅動頭過于靠近母板，整個系統的熱量都難以消除。TI的Edwards指出，在1萬英尺高空，系統的對流冷卻能力減少20%。驗證與現實相關的所有工程假設是保證設計能夠實現電氣性能和熱性能的唯一方法。瑞士航空公司111航班機載系統的設計者忽略了這種實際檢查，因而229名乘客失去了生命。
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所有工程師都有兩種重要的測量設備，即他們的觸覺和嗅覺。大多數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℃時發出的微妙氣味。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℃。多數人會過高地估計自己手指感受到的熱量，通常，他們會把只有50℃的溫度估計為70℃。如果你潤濕手指，再擦過部件，而部件發出嘶嘶聲，那么你就有麻煩了，因為任何部件溫度高于100℃都是壞消息。同樣，實驗室工作臺的環境溫度是最有利的環境。 當你完成了粗略估計后，還必須
做一些實際測量。多數DVM（數字電壓計）都有可以連接熱電偶的配件。Fluke和其它供應商制造的手持儀器可以用到兩只熱電偶，用于測量芯片溫度及其周圍的環境溫度。你應該測量IC的溫度比環境溫度升高的量。NationalInstruments、IOTech和很多其它數據采集設備制造商都可以幫助你用幾百種熱電偶、熱敏電阻和鉑RTD（電阻溫度探測器）傳感器建立測量系統。對于傳感器的尺寸和線纜的規格要特別小心。當測量一只小型IC時，熱電偶的導線也會傳導熱量，就像散熱器一樣，這種傳導降低了測得的溫度。
很多制造商還提供非接觸式IR（紅外）探測器，但當使用這些設備時，應注意你所測量表面的發射率。“發射率”是一個表面熱輻射的一種量度，即一個物體輻射出的能量與一個“黑體”（或熱黑體表面）輻射熱量之比。一個黑體是一個完美的熱能輻射器，它輻射出所有吸收的能量，發射率為1。作為比較，發射率為0的材料將是一種完美的熱反射鏡（參考文獻7）。一個光亮的金屬外殼有低的發射率，因此產生低于實際溫度的讀數。經平滑處理黑漆表面的發射率為1，這就是IR探測器測得的值。如要讓電子設備實現1的發射率，可以用經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，使發射率值接近于1。
即使當器件在電路中工作時，許多聰明的半導體制造商都會自己測量內核本身溫度，他們用的是一片IC的每個輸入、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位或CS（片選）腳的IC，也可以用多個其它腳作測量。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。業內很多人認為，100mA的電流不會造成二極管的任何自熱現象。你不需要為部件加電來測量二極管電壓，你可以用電源腳上或接地腳下的任何輸入或輸出腳。管腳內部的ESD二極管會將該腳箝位在大約0.6V。如果是復位腳，它需要在部件工作時保持高電平，則將該腳上拉到電源腳。當烤箱溫度上升時，ESD二極管的正向壓降從大約0.7V降到0.53V。
同樣，如果多余管腳是片選腳，它必須在IC工作時保持為低電平，則可以將該腳拉低到接地腳，并從ESD二極管獲得數據。如果該腳是輸出腳，則要與制造商聯絡，以確認沒有外部電流會妨礙全部100mA電流穿過二極管。你必須對每種IC測量這個數據，不同工藝有不同的電壓/過溫關系。當你準備對電路中運行IC作測量時，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，就可以測量電壓差，并推算內核的溫度。
ESD方法雖有價值，但也有限制。如果IC提供數百毫安電流，則在VCC或接地的金屬線和連接線內部就會有電壓降。這些電壓降可能對ESD二極管電壓的測量值有增、減作用。你應該向應用小組，甚至IC設計者咨詢是否會出現這種情況。為抵消電壓降，可以在測量時停止供電。注意硅片的發熱時間常數是微秒級，因此你必須用一臺快速示波器或采集系統測量，保證測到的不是二極管已經冷卻后的ESD二極管正向電壓。
有關ESD二極管方法的另一個擔心是，IC芯片并不是等溫的，即它們在空間和時間上都不具備相等或恒定溫度。測量ESD二極管時并不能永遠保證測到的是內核的最熱點。這里關注的是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工作時的IR熱成像圖（圖12）。圖中明亮的白點比ESD二極管所在的內核邊沿高25℃。當器件工作在高溫下時，可能需要降級使用（參考文獻8）。在150℃時，器件可能不能滿足電路的要求。
還有一種與ESD二極管技術等值的方法，可測量FET的溫度，即使FET正在工作。這種方法利用了一種現象，即FET導通電阻與其溫度成正比。FET的溫度越高，導通電阻就越大。通過記錄各種溫度下的導通電阻，就可以在FET工作在導通狀態時測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隱蔽的現象，因此，當在烤箱中獲取導通電阻數據的時候，必須為FET加一個短暫的快速上升脈沖電流，以保證內核與烤箱有相同的溫度。
做測量只是檢查真實情況，驗證自己的假設與估算的一個部分。如果沒有可用的環境溫度，你還必須自己創造出來。汽車公司會在亞利桑那州和加拿大做跟蹤測試，對于電子測試，采用臺面測試室或溫度強制系統，如Thermonics的T-2500E型（圖13）。要確保使用的電纜和測試線可以承受熱量。BrownBNC電纜有較高的額定溫度，優于更常用的黑色U58型線（參考文獻9）。熱風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，但也有在電路上結霜造成電路短路的缺點。測試室可以建立大氣環境，包括溫度、壓力和濕度，你需要用這三方面來完全模擬實際的環境。 總之，必須在設計電子系統時牢記熱設計的危險，小心可以毀掉設計的外部影響。與增加自有電路的其它工程師作交流，這些電路會增加或減少你電路中的熱量。同樣重要的是與小組中的機械工程師交流熱問題。他們可能是你確保良好熱設計的最佳伙伴。如果經理準備去掉風扇，并將外殼從金屬改為塑料時，你應該準備好熱電偶和測試室，向他表明這不是個好主意。
