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。
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。
问题的根源不仅出自热或冷的静态状态,也可能是出在一个温度到另一个温度的转变过程中。在极端情况下,热冲击会将电路板和器件裂成碎片。温度梯度(会产生小电压误差)也可以由于焊接材料和管脚材料的热电偶效应而产生麻烦(参考文献4)。此外,温度梯度本身可以是动态变化的。已故的 Bob Widlar是一位开创型的电子工程师,曾就职于美国国家半导体、Fairchild、Maxim和Linear Technology,他曾收到过一个在1 kHz 时坏掉的原型硅片。Widlar 认为热波来自于输出晶体管的辐射。这些热波会通过硅内核均匀散播。问题是,这片 IC 有两个基准节点,它与输出晶体管的距离不相等。在 1 kHz 工作频率下,基准节点之一处于一个热谷中,而另一个则位于一个热峰。这种情况会导致偏置电流的不均衡,使器件无法正常工作。由于这些热梯度,有些电源设计者更喜欢用控制器,而不是内置功率 FET 的 IC。使用控制器时,FET 的热量不会流过相同内核、放大器和基准电路。
电路板或散热器会通过对流、传导或辐射方式,将 IC 的热量散发出去。传导散热主要是通过金属引线框和电路板上铜箔。一旦电路板铜箔或分立散热片传导出热量,就为对流散热提供了足够将热量散播到空气中的表面积。辐射很难是一种散热的可行方法。卫星设计者采用辐射方式,因为没有其它方法可以去除系统中的热量。由于空间的辐射温度接近于绝对零度,因此存在足够大的温差,使大量的热能可以传输到空间中,使卫星上的电子设备不会过热烧毁。
对流散热也有一些困难。例如,气流对商用散热片的影响(图7)。注意,在高温下,热阻会增加五倍。使用强制风冷的散热片有较薄、间距更近的鳍片,比如一款风扇式CPU冷却器。如果你的产品没有风扇,则 IC 产生的热量会传导和散播出来,然后传送到机内的空气中。接下来,随着整个机器温度的上升,热量通过对流传送给周围的空气,如果你把机器放在腿上,则部分热量也会传导过来。外壳材料的热阻就变得很重要。热量从内向外的传送速度,塑料壳要慢于金属壳。
做喷气战斗机非机舱电子设备的工程师知道,一架喷气飞机要飞到高达 7 万英尺的高空。在这个高度,空气非常稀薄,对流冷却是无效的。这些系统有一个带乙二醇冷却通道的冷板,确保冷板温度不高于 80℃。每个部件都与一个金属散热器保持物理接触,散热器将元件热量传送至电路板的边沿。在电路板的边沿,一个传热的夹钳系统将这个散热器压紧在机壳的一侧。机壳的侧面将热量传给机壳所在的冷板。导热油脂可保证将最多的热量传送给冷板,并确保从 IC 到散热片的最大传导。
多数电子工程师都很熟悉用热阻作为一种热分析技术。热阻的表示单位是每瓦摄氏度。只需简单地乘以第一步估计的瓦数,就可以获得部件将增加的温度(摄氏度)。但这里需注意几个问题,要查看部件数据表上有关热阻规格的隐藏信息。从内核到外壳的热阻ΦJC 不是一个有用的测量值。半导体制造商的 IC 或封装设计者可能关心的是当热量从内核流至外壳时IC 的温升,但你需要更多的信息。你在数据表上经常看到的下一个规格是从节点到外界的热阻ΦJA。该值表示的是当部件未连散热片或未焊到 PCB(印制电路板)上时的温升。德州仪器的 Darvin Edwards 指出,ΦJA 对多数试图预测结温的工程师来说是没有用处的。他说:“有用的是从内核到电路板的热阻(ΦJB),以及从内核到封装表面的热阻(ΦJC)。我们用两个 JEDEC(联合电子设备工程委员会)标准电路板测量ΦJA,让工程师们看到它并不是一个封装常量。一个电路板是单面的,另一个是多层电路板。如果你有ΦJB 和ΦJC 规格,就有更好的机会来估计 IC 的真实温升。”他还指出,工程师们必须记住ΦJA 测量时电路板上没有其它芯片。当 IC 周围有电源和其它散发热量的芯片时,以及当电路板处于一个空间有限的无风扇塑料外壳中时,实际温升会高于ΦJA 测量给出的值(图 8)。还要记住,多数 IC 的塑料顶面都几乎不传送热量。环氧树脂塑料的热传导能力为 0.6W/mK ~ 1W/mK(米-开尔文),而铜的导热能力是 400W/mK。因此,铜的导热能力比塑料高400倍 ~600倍,重要的是PCB设计要实现热传导的最大化。
地球上也存在着挑战性的环境。美国尼桑公司测试开发工程师 Bruce Robinson 在亚利桑那州的汽车沙漠试验场工作。他说,尼桑一般估算的最高温度如下:白天环境温度 46℃,车内空气温度 81℃,仪表板表面最高温度 111℃,车内元件温度 82℃。换句话说,你可以在仪表板上烧开水。如果你设计车用电子设备,一定要考虑到这些。
无疑,当大多数工程师没有理解环境温度的嵌套程度时,他们就会失败。例如,假设要设计一个部件,用于 CD 播放机的光学拾取装置(图 10)。你可能会这么假设,由于该部件用于消费产品,它可能工作在 0℃ ~ 70℃。但好好想想吧。实验室工作台上的部件可能是工作在25℃环境下。而光功率件是要安装在 CD 驱动器里,驱动器中有其它元件在加热空气,该装置可能不装风扇。更糟糕的是,播放机装在计算机内,驱动器必须工作在这种环境温度下。计算机内部有自己的热源和风扇,这个温度上再加上外部环境温度,因此,在工作台上测得的25℃室温,到了计算机内就是40℃,CD驱动器内是50℃。现在,如果你把计算机放在厄瓜多尔的一个很热的阁楼上,情况又该如何?这个部件必须工作在远高于70℃的环境温度下。你的职责是确保它仍能满足规范,并且高温不会显著缩短产品的寿命。
ESD方法虽有价值,但也有限制。如果IC提供数百毫安电流,则在VCC或接地的金属线和连接线内部就会有电压降。这些电压降可能对ESD二极管电压的测量值有增、减作用。你应该向应用小组,甚至 IC 设计者咨询是否会出现这种情况。为抵消电压降,可以在测量时停止供电。注意硅片的发热时间常数是微秒级,因此你必须用一台快速示波器或采集系统测量,保证测到的不是二极管已经冷却后的ESD二极管正向电压。
还有一种与 ESD 二极管技术等值的方法,可测量 FET 的温度,即使 FET 正在工作。这种方法利用了一种现象,即 FET 导通电阻与其温度成正比。FET 的温度越高,导通电阻就越大。通过记录各种温度下的导通电阻,就可以在 FET 工作在导通状态时测量其上的电压和通过的电流,从而推算出 FET 的温度。这种方法甚至可以用于电源芯片中集成的 FET。记住自热总是电子电路中的一个隐蔽的现象,因此,当在烤箱中获取导通电阻数据的时候,必须为 FET 加一个短暂的快速上升脉冲电流,以保证内核与烤箱有相同的温度。
参考文献
1. Pease, Bob, "What's All This VBE Stuff, Anyhow?".
2. "What Causes Semiconductor Devices to Fail?" Test & Measurement World, Nov 1, 1999.
3. Osterman, Michael, PhD, "We still have a headache with Arrhenius," Electronics Cooling.
4. Williams, Jim, "Measurement techniques help hit the 1-ppm mark," EDN, April 26, 2001, pg 117.
5. Rako, Paul, "Beyond Spice," EDN, Jan 18, 2007, pg 41.
6. Stoller, Gary, "Doomed plane's gaming system exposes holes in FAA oversight," USA Today, Feb 16, 2003.
7. www.x26.com/irpaper_emissivity.htm.
8. "Thermal Techniques, Apex AN11," Apex Microtechnology.
9. Kirkwood, A, and Eric Albrecht, "Coaxial Cable Types".