集成电路热管理

2021-04-07

正如设计和制造电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。无论电流流过阻抗的何处，由于热力学定律，无论是在组件，连接，布线还是在PCB中，能量损耗都会表现为热量。损失越大，产生的多余热量就越大。 

虽然具有耐热增强型封装的组件可用于帮助管理产生的热量，但电子设计的趋势是具有更紧凑的组件和更高的组件密度。集成电路封装正变得越来越小以适应这种趋势，但是以较差的热性能为代价。

在半导体器件中，组件栅极已缩小至纳米尺寸，单个裸片现在可以包含由数十亿个晶体管形成的数百万个栅极。摩尔定律已标志着这种渐进的小型化，并预测它将持续到不久的将来，直到基础技术发生变化为止。尽管每款新一代的更小，更快的设备都为设计人员提供了更多的功能，但它们在相同的组件占位面积上却产生了更多的热量。

对半导体的影响

半导体器件的过度加热会对器件的运行产生若干影响。半导体材料本身的特性由于电迁移效应而随温度变化。超出设备的温度限制，设备的性能可能不符合其规格并产生意外的行为。半导体依靠键合来实现从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能会受到损害。 

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线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，例如电源线的快速循环。 

半导体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体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。设备制造中使用的各种材料可能会以不同的速率扩展。这可能导致材料破裂或分层，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，从而对可靠性产生不利影响。

这可以归结为这样的断言：工作温度越高，可靠性越低。器件的数据表将在特定温度（通常为标准室温）下提供预计的平均故障前时间（MTBF）。有一个普遍的（非常粗略的）经验法则，工作温度每升高10 o C，MTBF就会减半。这是基于化学的历史证据，化学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。

挑战在于从半导体材料中提取热能，并将其尽可能快而有效地倾倒到周围环境中，以保持器件的可靠性。

设备等级

半导体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下一个标准的商业产品或潜在-40 Ò C至85 ö下使用工业级的一部分。如果需要，可以提供具有更大范围的军用规格零件，但单位成本更高。实际上，各种产品之间没有什么区别。它们的制造余量意味着商业零件可以在军用规格范围内工作。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。设备制造商基于在最坏的可能工作条件下提供设备可接受的可使用性来选择这些值，这些条件包括电源电压的变化，负载的变化，信号的变化以及允许的环境条件。AMR将取决于制造商指定的任何建议操作条件下的用户。

热阻

对于半导体器件，热阻测量器件如何抵抗热量从结到其外表面的流动。用符号θ表示并以o C / W表示，电阻越低，器件将热量从结点抽出并从可以应用外部冷却机制的器件中抽出的效率就越高。单位似乎有点奇怪。但是，这非常实用-单位是两个热量点之间的温度差（以摄氏度为单位）（如果您有1瓦热量）。因此140 o C / WθJA表示半导体结与周围环境之间的温度差为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，称为θJA。或者，它可以被分解成从结到的情况下，指定θ热阻JC，并从壳体到周围环境，θ CA。 

因此，可以使用器件的热阻，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电子工程师的能力和预算。

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能由较高的稳态温度引起。它们更可能是由温度梯度，温度循环幅度的变化以及温度变化率的影响更为明显引起的。处理功率脉冲而不是稳态功率的半导体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。如果设备正在处理高频脉冲信号，则与处理变化相对较慢的信号相比，它将需要更强大的热管理解决方案。

随着分立组件中半导体器件的日益使用以及将其封装到越来越小的器件中的要求，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，以达到所需的可靠性。但是，根据设备的实际操作模式，瞬态热分析可能会很好地确定该冷却水平不足。问题在于，稳态热分析要简单得多，而且要快得多。诱惑在于执行稳态分析，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，以查看长期来看是否存在可靠性问题。

散热解决方案

散热的典型起点是将PCB本身用作被动冷却方法。如果空间和组件放置允许，则使用具有低热阻的铜PCB迹线是低成本的热管理解决方案的理想选择。小心地在半导体下方和周围放置铜多边形会带走器件的热量，并将其散布到PCB的其余部分。如果该半导体器件是用位于裸片下方的大面积铜芯制造的，则这特别有效。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，更复杂的半导体器件是用堆叠管芯制造的，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组件。相反，任何其他热设备（例如功率FET）本身都可以将热量散发到半导体中。整个电路板的热分析对于确保整体热管理解决方案有效是必不可少的。电路板任何关键区域都不会出现可能影响温度敏感组件的热点。

散热器是用于为半导体器件提供局部散热的另一种常用技术。基本原理是具有金属结构，该金属结构具有尽可能大的物理附着到半导体器件的表面积。与依靠小面积的热量散发热量相比，热量可以更有效地从设备散发出去。通常，热界面材料用于将散热器粘合到半导体上，半导体本质上是具有非常低热阻的粘合剂。标准的散热器使用铝制结构，散热片上覆盖有鳍片，以最大程度地增加表面积，并为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。一个缺点是这种布置可能将灰尘和污染物吸入设备，这可能会影响整体可靠性或潜在地降低散热器的热效率。 

如果空间有限，另一种解决方案是热管。作为现成的设备可用，热管为将热量从电路板上的热点被动转移到较冷的位置提供了一种可靠且具有成本效益的方法。通常，热管包含少量的吸热液体，例如加压的氮气，氨水或丙酮。流体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开始。它的主要优点是它是无源部件，没有活动部件，也没有维护要求。然而，成本可能很高，并且在PCB上安装可能具有挑战性。

其他解决方案，包括液冷冷却板或珀尔帖效应冷却板，都是可能的选择。尽管如此，成本和复杂性仍显着增加，对于许多消费者而言，使它们成为目标设备预算并不切实际。

PCB散热建议

如果您可以将PCB用作无源散热解决方案，请参考以下一些建议，以尽可能提高效率。

第一步，检查设计并查看是否有减少热量成分的选项。更改组件，重新设计电路或重新考虑电源通常可能是成功的策略。预防总比治疗好。

在设计允许的范围内使用尽可能大的铜面积。如果您不受电路板尺寸的限制，请考虑增加电路板面积以获得更多的表面积以用于散热。请勿用阻焊剂覆盖将用于散热的任何铜，因为这会增加整体热阻，从而无法使用裸露的铜。利用多层板，在多层上使用区域，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。散热通孔具有优势只要您有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能靠近任何热源的位置，以使其有效。另外，请使用可以使用最厚铜的PCB。这直接影响热量在整个板上的传导速度。

为电路板提供自然通风，使空气可以自由地流过电路板的表面，理想的方式是允许在整个表面区域均匀加热。因此，这可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，这可能会导致冷却不均。

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用的。另外，如果强制空气中可能包含灰尘，或者如果设备将在可能存在空气中颗粒物或污染物的地方运行，请考虑使用某种类型的过滤器。