保持太空芯片凉爽可靠

2021-10-20

保持太空芯片凉爽可靠

随着 COTS 和航天级半导体越来越多地以更快的速度切换更多电路，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靠的运行。允许的最大结温保持不变，如果在任何时间长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 供应商进行了交谈，他最新的高端设备消耗 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！半导体的可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效散热对于优化设备和系统性能至关重要。摩托罗拉先前估计，当温度高于 100°C 时，每升高 10°C，半导体的工作寿命就会减少一半——这是温度函数的指数下降！

随着小型卫星以具有更高热阻的低成本塑料封装 IC 为基准，并且随着 PCB 变得更加集成，使用低阻抗 PDN 将低电压、高电流负载定位在其稳压器旁边，物理空间更小，通常没有可用于将外部散热器连接到热组件的财务预算。考虑到航空电子设备制造商的入轨时间压力，了解如何保持半导体冷却将确保您的设计一次成功，并在任务的预期生命周期内可靠运行。

通常，塑料封装的 QFP 半导体中产生的大约 80% 的热量是通过其引脚传导而去除的，金属引线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，它们变得不那么可靠并且更容易受到长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。

图 1标准塑料封装的冷却。

传导和辐射是在轨用于从半导体中去除热量的技术，在这篇文章中，我想重点介绍将 PCB 重新用作带有裸露焊盘的含铅或 QFN 芯片的散热器。这通常接地并焊接到 PCB 上的相应焊盘，该焊盘使用热通孔电连接到堆栈内的一个或多个接地或电源层，以增加用于冷却的有效表面积。

这种散热方法利用了高导热性，并且带有焊盘的器件在结和外壳之间具有低得多的热阻，即Ө JC，以允许热量从封装底部传导，然后使用铜平面在封装内横向扩散PCB 堆栈（图 2）。如果过孔是通孔，则辐射可以进一步从器件和电路板带走热量，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。外部散热器也可以连接到电路板的这一侧。

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。类似于欧姆定律的简化电阻模型通常用于关联散热、温升和热阻（图 3）。这可用于估计 PCB 面积、散热孔、铜厚度和外部散热对结温和可靠性的影响。

电阻电路将电荷、电流、电位和欧姆电阻的电量分别建模为热量、功率、温度和热阻抗，如下所示。热量从半导体结流经其外壳/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单个热阻的总和即可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电阻热，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主要用于对同一环境中使用的不同封装进行评级，不应用于预测空间电子元件的热性能。

当重新使用 PCB 的接地层来冷却半导体时，由于大部分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电路板尺寸，即平面表面积，并设计我们的堆栈，即用于散热的平面数量、它们的铜厚度以及是否使用散热孔，以达到所需的 Ө CS以实现可靠的结温（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以近似为：

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

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

图 5四层一平方英寸 PCB  的热阻。

使用热通孔、更厚的铜和基板的垂直热阻可以降低总 Ө CS：开放通孔比填充通孔具有更高的热阻，因为垂直于热源的面积减少了。多个通孔增加了表面积，降低了它们的总热阻，然后与介电层的热阻平行，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电流，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！

您应该使用多少平面层来散热？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？执行上述分析以降低整体热阻 Ө CS，一旦结温升高满足您的可靠性需求，您就大功告成了！在某些时候，如果增加更多的散热片会增加复杂性和成本，而实际上并没有促进冷却，那么您将达到收益递减点。

一些器件（例如线性稳压器）提供不同的封装类型和尺寸，每种封装类型和尺寸都有自己的热导率和额定电流（图 6和7）。如下所示，最小的将具有更高的热阻，从而导致结温升高。对于一位客户，我不得不将 PFM 部件更换为更大的 TO 外壳，因为前者过热，由于其热断路器，它只能间歇性地运行。

图 6 LM117 相对封装尺寸和负载电流额定值的比较。

图 7封装的散热和面积比较。

CGA/BGA 器件通常包含专用的热柱/球，以使用通孔为 PCB 堆栈内的接地层提供散热路径。在电气方面，这种低阻抗返回也有助于抗噪性和EMC设计。对于 CGA/BGA 封装，θ JC定义为从结到外壳顶部的热阻抗。塑料和陶瓷封装的航天级半导体的典型值范围为 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区域内。

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都会影响其冷却性能。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。

热半导体和环境之间的总热阻是所有单个电阻的总和，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以从制造商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以重写为：θ = ΔT / P D，这给出了我们的设计在不过热的情况下可以承受的芯片和环境之间的最大热阻值。例如，如果器件功耗为 10W，结温为 125°C，环境温度为 25°C，则热阻最大值为 (125-25)/10 = 10°C/W。在实践中，通常使用T J的降额值，例如100°C。如果 θ JC为 2.5°C/W 且 θ CS为 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理上适合您的子系统，当然还有预算！

一些航天级 CGA/BGA 包含一个内部铜块（或盖子），用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。虽然我们能够就如何为器件供电和使用以降低其整体耗散提出许多建议，例如分别使用较低的内核电压和较少消耗的 I/O，但在航空电子设备的调试。制造前的热分析、功率预测电子表格和 HDL 模拟会警告我们的客户即将出现的可靠性问题。这些表明需要使用外部、物理和/或平面 PCB 散热器来去除结中的多余热量，以确保 IC 的安全运行。

半导体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线性。但是，制造商指定了散热器和半导体的典型热阻值，这简化了他们的选择。