中心議題：

• 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(duo)數(shu)電(dian)子(zi)工(gong)程(cheng)師(shi)都(dou)很(hen)熟(shu)悉(xi)用(yong)熱(re)阻(zu)作(zuo)為(wei)一(yi)種(zhong)熱(re)分(fen)析(xi)技(ji)術(shu)。熱(re)阻(zu)的(de)表(biao)示(shi)單(dan)位(wei)是(shi)每(mei)瓦(wa)攝(she)氏(shi)度(du)。隻(zhi)需(xu)簡(jian)單(dan)地(di)乘(cheng)以(yi)第(di)一(yi)步(bu)估(gu)計(ji)的(de)瓦(wa)數(shu)，就(jiu)可(ke)以(yi)獲(huo)得(de)部(bu)件(jian)將(jiang)增(zeng)加(jia)的(de)溫(wen)度(du)（攝氏度）。但這裏需注意幾個問題，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。半導體製造商的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（印製電路板）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麵的熱阻（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，讓工程師們看到它並不是一個封裝常量。一個電路板是單麵的，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，以及當電路板處於一個空間有限的無風扇塑料外殼中時，實際溫升會高於ΦJA測量給出的值（圖8）。還要記住
，多數IC的塑料頂麵都幾乎不傳送熱量。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複雜方法。

美國國家半導體的Webench在線設計工具采用Flomerics的Flotherm熱(re)分(fen)析(xi)軟(ruan)件(jian)，計(ji)算(suan)靜(jing)止(zhi)空(kong)氣(qi)中(zhong)的(de)器(qi)件(jian)溫(wen)度(du)。所(suo)有(you)一(yi)般(ban)的(de)仿(fang)真(zhen)注(zhu)意(yi)事(shi)項(xiang)均(jun)適(shi)用(yong)。如(ru)果(guo)你(ni)的(de)電(dian)路(lu)有(you)風(feng)扇(shan)和(he)一(yi)些(xie)氣(qi)流(liu)
，其(qi)溫(wen)升(sheng)就(jiu)較(jiao)低(di)。如(ru)果(guo)有(you)機(ji)箱(xiang)，裏(li)麵(mian)還(hai)有(you)其(qi)它(ta)器(qi)件(jian)，其(qi)溫(wen)升(sheng)就(jiu)高(gao)。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，如一隻部件的熱響應，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re分fen析xi中zhong的de最zui後hou一yi步bu是shi估gu計ji環huan境jing溫wen度du
，這zhe步bu十shi分fen重zhong要yao。一yi輛liang采cai用yong風feng冷leng引yin擎qing的de摩mo托tuo車che在zai駕jia駛shi時shi會hui遇yu到dao周zhou圍wei環huan境jing的de某mou種zhong溫wen升sheng。如ru果guo環huan境jing空kong氣qi升sheng高gao10℃，則氣缸頭溫度也會上升。電子係統也一樣。例如，實驗室空氣為25℃，工作台上的芯片工作在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℃。zaizhegerefenxibuzhouzhong
，gongchengshimenyoushiwufaquedingqijiankenengyaoyunxingdehuanjingqingkuang。chulejiandandeyunxingyiwai

，zhexiebujianhaibixunengcunliuxialai。liru
，qichechangyongyucheshenzhongxinpenqidekaoluhuishisuoyoudianzishebeibaoluzaigaowenxia，chaoguoqichezaishiyongshoumingzhongyudaodewendu。bujiannengnaiguozhezhongtiaojian，yinweiqichezhizaoshangzaizhegeguochengzhongbuhuigeitamentongdian。henduogongchengshiwufapanduanhuanjinghuidadaohezhongjiduanjingdi。womendouzhidao，waicengkongjianzhongdeweixingwendukeyidizhizhibijueduilingdugaojidu，erdangtamencongtaiyangyinyingzhongyichushizehuidadaosheshijibaidu。　　

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℃，儀表板表麵最高溫度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
，用於CD播放機的光學拾取裝置（圖10）。你可能會這麼假設，由於該部件用於消費產品
，它可能工作在0℃~70℃。但好好想想吧。實驗室工作台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(qu)動(dong)器(qi)裏(li)，驅(qu)動(dong)器(qi)中(zhong)有(you)其(qi)它(ta)元(yuan)件(jian)在(zai)加(jia)熱(re)空(kong)氣(qi)，該(gai)裝(zhuang)置(zhi)可(ke)能(neng)不(bu)裝(zhuang)風(feng)扇(shan)。更(geng)糟(zao)糕(gao)的(de)是(shi)，播(bo)放(fang)機(ji)裝(zhuang)在(zai)計(ji)算(suan)機(ji)內(nei)
，驅(qu)動(dong)器(qi)必(bi)須(xu)工(gong)作(zuo)在(zai)這(zhe)種(zhong)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)下(xia)。計(ji)算(suan)機(ji)內(nei)部(bu)有(you)自(zi)己(ji)的(de)熱(re)源(yuan)和(he)風(feng)扇(shan)，這(zhe)個(ge)溫(wen)度(du)上(shang)再(zai)加(jia)上(shang)外(wai)部(bu)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)，因(yin)此(ci)
，在(zai)工(gong)作(zuo)台(tai)上(shang)測(ce)得(de)的(de)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於70℃的環境溫度下。你的職責是確保它仍能滿足規範，並且高溫不會顯著縮短產品的壽命。
　　
現實情況　　

終於完成了設計估算和Spice仿真
，但在開發過程中的某些時間內，還必須麵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an裝zhuang和he最zui後hou修xiu整zheng。然ran後hou，你ni可ke以yi動dong用yong各ge種zhong測ce量liang技ji術shu，來lai驗yan證zheng迄qi今jin用yong到dao的de所suo有you美mei妙miao理li論lun。重zhong要yao的de是shi盡jin可ke能neng近jin似si地di重zhong現xian預yu期qi的de工gong作zuo環huan境jing。你ni應ying優you先xian確que定ding電dian路lu是shi否fou會hui被bei破po壞huai，接jie下xia來lai電dian路lu是shi否fou會hui保bao持chi良liang好hao狀zhuang態tai，最zui後hou，電dian路lu能neng否fou在zai所suo有you條tiao件jian下xia都dou如ru預yu期qi一yi樣yang運yun行xing。　　

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係統（參考文獻6）。jizaiyulewangluolulianxiandedianhuyinzhelejueyuancengshangdekeranfugaiwu
，bingkuaisumanyandaoqitakerancailiao。ruguoshengchangaixitongdexiaoxingqiyeshejizhejianchizaichengkecangsuochude8000英尺高度作測試，他們就會知道磁盤驅動頭過於靠近母板，整個係統的熱量都難以消除。TI的Edwards指出，在1萬英尺高空

，係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航班機載係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suo有you工gong程cheng師shi都dou有you兩liang種zhong重zhong要yao的de測ce量liang設she備bei，即ji他ta們men的de觸chu覺jiao和he嗅xiu覺jiao。大da多duo數shu人ren都dou非fei常chang熟shu悉xi電dian子zi元yuan件jian燒shao熔rong的de刺ci鼻bi氣qi味wei。有you良liang好hao嗅xiu覺jiao能neng力li的de人ren甚shen至zhi能neng聞wen到dao一yi隻zhi芯xin片pian接jie近jin70℃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秒鍾以上
，則部件溫度就低於70℃。多數人會過高地估計自己手指感受到的熱量
，通常，他們會把隻有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，那麼你就有麻煩了，因為任何部件溫度高於100℃都是壞消息。同樣，實驗室工作台的環境溫度是最有利的環境。　　當你完成了粗略估計後
，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和其它供應商製造的手持儀器可以用到兩隻熱電偶
，用於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製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）傳感器建立測量係統。對於傳感器的尺寸和線纜的規格要特別小心。當測量一隻小型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。

很多製造商還提供非接觸式IR（紅外）探測器，但當使用這些設備時
，應注意你所測量表麵的發射率。“發射率”是一個表麵熱輻射的一種量度，即一個物體輻射出的能量與一個“黑體”（或熱黑體表麵）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，因此產生低於實際溫度的讀數。經平滑處理黑漆表麵的發射率為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塗表麵，或在金屬外殼上放一塊透明帶，使發射率值接近於1。　　

即使當器件在電路中工作時，許多聰明的半導體製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、輸出和控製腳上都有的ESD（靜電放電）二極管（圖11）。你可以將這種方法用於有複位或CS（片選）腳的IC，也可以用多個其它腳作測量。由於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，100mAdedianliubuhuizaochengerjiguanderenhezirexianxiang。nibuxuyaoweibujianjiadianlaiceliangerjiguandianya，nikeyiyongdianyuanjiaoshanghuojiedijiaoxiaderenheshuruhuoshuchujiao。guanjiaoneibudeESD二極管會將該腳箝位在大約0.6V。如果是複位腳
，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，如果多餘管腳是片選腳，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，並從ESD二極管獲得數據。如果該腳是輸出腳
，則要與製造商聯絡，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/過溫關係。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。然後，就可以測量電壓差
，並推算內核的溫度。

　
ESD方法雖有價值，但也有限製。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she計ji者zhe谘zi詢xun是shi否fou會hui出chu現xian這zhe種zhong情qing況kuang。為wei抵di消xiao電dian壓ya降jiang，可ke以yi在zai測ce量liang時shi停ting止zhi供gong電dian。注zhu意yi矽gui片pian的de發fa熱re時shi間jian常chang數shu是shi微wei秒miao級ji，因yin此ci你ni必bi須xu用yong一yi台tai快kuai速su示shi波bo器qi或huo采cai集ji係xi統tong測ce量liang

，保bao證zheng測ce到dao的de不bu是shi二er極ji管guan已yi經jing冷leng卻que後hou的deESD二極管正向電壓。　　

有關ESD二極管方法的另一個擔心是，IC芯片並不是等溫的
，即它們在空間和時間上都不具備相等或恒定溫度。測量ESD二極管時並不能永遠保證測到的是內核的最熱點。這裏關注的是ESD二極管，它總是在芯片的邊沿

，低於輸出晶體管的溫度。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於電源芯片中集成的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衝電流
，以保證內核與烤箱有相同的溫度。　　

做(zuo)測(ce)量(liang)隻(zhi)是(shi)檢(jian)查(zha)真(zhen)實(shi)情(qing)況(kuang)，驗(yan)證(zheng)自(zi)己(ji)的(de)假(jia)設(she)與(yu)估(gu)算(suan)的(de)一(yi)個(ge)部(bu)分(fen)。如(ru)果(guo)沒(mei)有(you)可(ke)用(yong)的(de)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)，你(ni)還(hai)必(bi)須(xu)自(zi)己(ji)創(chuang)造(zao)出(chu)來(lai)。汽(qi)車(che)公(gong)司(si)會(hui)在(zai)亞(ya)利(li)桑(sang)那(na)州(zhou)和(he)加(jia)拿(na)大(da)做(zuo)跟(gen)蹤(zong)測(ce)試(shi)，對(dui)於(yu)電(dian)子(zi)測(ce)試(shi)，采(cai)用(yong)台(tai)麵(mian)測(ce)試(shi)室(shi)或(huo)溫(wen)度(du)強(qiang)製(zhi)係(xi)統(tong)，如(ru)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，優於更常用的黑色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。製

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

，你需要用這三方麵來完全模擬實際的環境。　　總zong之zhi，必bi須xu在zai設she計ji電dian子zi係xi統tong時shi牢lao記ji熱re設she計ji的de危wei險xian，小xiao心xin可ke以yi毀hui掉diao設she計ji的de外wai部bu影ying響xiang。與yu增zeng加jia自zi有you電dian路lu的de其qi它ta工gong程cheng師shi作zuo交jiao流liu
，這zhe些xie電dian路lu會hui增zeng加jia或huo減jian少shao你ni電dian路lu中zhong的de熱re量liang。同tong樣yang重zhong要yao的de是shi與yu小xiao組zu中zhong的de機ji械xie工gong程cheng師shi交jiao流liu熱re問wen題ti。他ta們men可ke能neng是shi你ni確que保bao良liang好hao熱re設she計ji的de最zui佳jia夥huo伴ban。如ru果guo經jing理li準zhun備bei去qu掉diao風feng扇shan，並bing將jiang外wai殼ke從cong金jin屬shu改gai為wei塑su料liao時shi，你ni應ying該gai準zhun備bei好hao熱re電dian偶ou和he測ce試shi室shi
，向xiang他ta表biao明ming這zhe不bu是shi個ge好hao主zhu意yi。