電子系統(tǒng)熱管理設(shè)計(jì)與驗(yàn)證中的結(jié)溫估算與測(cè)量

石 秦，曹宗生，龍 威，宋立新，孟廣國

（北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司 北京 100094）

熱失效是電子系統(tǒng)的重要失效形式。電子系統(tǒng)中半導(dǎo)體器件由于自身功耗產(chǎn)生熱量，這種熱量的累積會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體器件結(jié)溫的上升，伴隨而來的是半導(dǎo)體器件的性能下降。通常，元件的結(jié)溫每上升10℃，器件的壽命就會(huì)大約減為一半，故障率也會(huì)大約增大2倍。硅半導(dǎo)體在結(jié)溫超過了175℃時(shí)就有可能損壞。

隨著現(xiàn)代電子設(shè)備的高度集成化，小型化，其功率密度也飛速上升，在電子設(shè)計(jì)中引入熱管理成為必然，其設(shè)計(jì)目標(biāo)就是要限制半導(dǎo)體器件的結(jié)溫。因此，為了使一個(gè)電子系統(tǒng)具有較高的性能和可靠性，板級(jí)設(shè)計(jì)人員必須確保半導(dǎo)體器件的結(jié)溫不超過該器件廠商規(guī)定的最大工作結(jié)溫。而在國防、航天航空、核能源及其他有高可靠性要求的領(lǐng)域，更是要求器件的使用在低于最大工作結(jié)溫的基礎(chǔ)上還要有適度的降額，以保證器件使用壽命和系統(tǒng)可靠性。

由于半導(dǎo)體器件的封裝，測(cè)量時(shí)無法觸及結(jié)點(diǎn)，不太可能直接測(cè)到器件的結(jié)溫，所以在板級(jí)設(shè)計(jì)和后續(xù)的測(cè)試驗(yàn)證中，就需要預(yù)估、測(cè)算半導(dǎo)體器件的結(jié)溫。下面本文主要就半導(dǎo)體器件結(jié)溫的預(yù)估，結(jié)溫的測(cè)算、驗(yàn)證方法進(jìn)行說明。

1 定 義

本章節(jié)給出了半導(dǎo)體結(jié)溫相關(guān)的一些參數(shù)及其定義，由這些參數(shù)來表征半導(dǎo)體器件封裝的熱特性，這些參數(shù)是熱管理分析的基礎(chǔ)，如表1所示。圖1顯示了結(jié)溫、熱阻、耗散功率這些參數(shù)[1]的分布和它們之間的關(guān)系。

圖1 結(jié)溫相關(guān)參數(shù)的模型Fig.1 Junction temperature model

2 板級(jí)設(shè)計(jì)階段的結(jié)溫估算

在電子系統(tǒng)的板級(jí)設(shè)計(jì)階段，熱管理主要是關(guān)注各類功率器件和一些功耗較大的高速數(shù)字器件。一般情況下，這些器件廠商會(huì)提供器件的最大工作結(jié)溫Tjmax，那么我們只要保證器件的工作結(jié)溫Tj＜Tjmax，器件在使用中就不會(huì)有熱損毀的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 結(jié)溫相關(guān)的參數(shù)及其定義Tab.1 Parameter and definition of junction temperature

這里是一個(gè)最常見的公式，用來在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行結(jié)溫估算：

設(shè)計(jì)中，對(duì)某個(gè)半導(dǎo)體器件進(jìn)行結(jié)溫估算時(shí)，TA可以取該器件在應(yīng)用中預(yù)期的極限工作環(huán)境溫度；而PD，某些功率器件（如LDO，Switch Regulator）會(huì)在器件數(shù)據(jù)表中給出較詳細(xì)的PD估算方法，當(dāng)然也可以采用通用的估算方法，即：

這里Vin_max和Vout_min分別是器件在應(yīng)用中的最大輸入電壓和最小輸出電壓，Iout_max是器件在應(yīng)用中可能的最大輸出電流。

對(duì)于θJA，一般器件數(shù)據(jù)表會(huì)給出這個(gè)參數(shù)的參考值，但是需要注意，這個(gè)值是器件廠商在JEDEC標(biāo)準(zhǔn)JESD51-7規(guī)定的條件下測(cè)得的，是處于1立方英寸靜止空氣中的器件的θJA。而在具體應(yīng)用中實(shí)際θJA值會(huì)隨著許多因素而變化，如器件用來散熱的銅箔面積、厚度，器件周圍的自由空氣體積等。實(shí)事上，在類似手機(jī)這樣小型化高密度的應(yīng)用中，器件周圍的靜止空氣非常少，實(shí)際的θJA值會(huì)比器件數(shù)據(jù)表的參考值大，而且這種差別往往是相當(dāng)顯著的。

因此，在器件組裝密度較低，散熱條件較好的一般應(yīng)用中，可以直接采用器件數(shù)據(jù)表的θJA參考值進(jìn)行結(jié)溫估算，實(shí)踐證明，這種估算據(jù)實(shí)際情況的偏離較小，是可以接受的。但在高密度組裝散熱困難，用于高溫等嚴(yán)酷環(huán)境，以及可靠性要求很高的應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體應(yīng)用情況，得出較準(zhǔn)確的θJA值，前述的結(jié)溫計(jì)算公式才有意義。目前常用的有兩種解決方法：1）使用建模仿真的方法，來求得θJA值，這種方法需要器件廠商提供大量額外的數(shù)據(jù)供建模使用，因此經(jīng)常不能適用，本文不予介紹；2）利用大多數(shù)半導(dǎo)體器件在內(nèi)部均集成了可觸及的二極管 （比如常見的器件端口ESD保護(hù)二極管）的特點(diǎn)[1]，建立模擬特定應(yīng)用條件的測(cè)試環(huán)境，選擇器件內(nèi)部合適的二極管作為溫度檢測(cè)器件來進(jìn)行測(cè)量分析，得出二極管正向電壓與其溫度的關(guān)系曲線，以此曲線得出該應(yīng)用條件下的結(jié)溫Tj估算值（當(dāng)然還可由此反推出該半導(dǎo)體器件在特定應(yīng)用條件下的θJA）。下面介紹這種方法：

2.1 原理

眾所周知，二極管PN結(jié)的正向電流、反向電流、正向壓降都是熱敏參數(shù)，下面是這些參數(shù)隨溫度變化的相對(duì)變化率[2]：

反向電流相對(duì)變化率-溫度：

正向電流相對(duì)變化率-溫度：

正向壓降相對(duì)變化率-溫度：

Ego——PN結(jié)在絕對(duì)零度時(shí)的禁帶寬度

k——波爾茲曼常數(shù)

從上述關(guān)系式可以看出，當(dāng)流經(jīng)PN結(jié)的電流一定時(shí)，其正向壓降在一定的溫度變化范圍內(nèi)，呈線性變化，所以可用來作為測(cè)量結(jié)溫Tj的參數(shù)。

2.2 可用于器件內(nèi)部溫度檢測(cè)的二極管選取

首先，在半導(dǎo)體器件內(nèi)選擇一個(gè)在器件處于工作狀態(tài)時(shí)可以被正向偏置的二極管[1]。有一些器件的數(shù)據(jù)表給出了內(nèi)部ESD二極管的位置，而從器件的絕對(duì)最大額定值表也可以推斷出這種ESD二極管的位置。器件內(nèi)部的ESD二極管，為了保護(hù)端口，對(duì)管腳的電壓進(jìn)行最高值或最低值鉗位，使管腳上最低電壓不低于地電壓（GND）之下一個(gè)二極管的壓降，或使管腳上最高電壓不高于Vin之上一個(gè)二極管的壓降。 這種用作ESD的快開關(guān)二極管在結(jié)溫達(dá)到最大值時(shí)正向的正向壓降為0.3 V，因此可以從器件數(shù)據(jù)表里的絕對(duì)最大額定值表上“0.3 V”這種線索來找到內(nèi)部ESD二極管的位置。以TI公司Bulk結(jié)構(gòu)電平轉(zhuǎn)換器件TPS5430-EP[4]為例。

TPS5430器件相關(guān)管腳接線端ESD二極管連接情況如圖2所示。

表2 TPS5430器件的部分絕對(duì)最大額定值[4]Tab.2 Absolute maximum ratings of TPS5430

圖3 結(jié)溫測(cè)量電路Fig.3 Junction temperature measuring circuit

圖2 器件內(nèi)部的端口保護(hù)二極管Fig.2 Port protection diode inside component

為保證所選取ESD二極管適合用來做器件內(nèi)部的溫度檢測(cè)，可用萬用表對(duì)ESD二極管進(jìn)行測(cè)試。那些能將數(shù)字輸入端箝位到GND的ESD二極管完全適合用來做溫度檢測(cè)。

2.3 溫度檢測(cè)的要求

1）為了對(duì)溫度檢測(cè)二極管的正向壓降-溫度特性進(jìn)行分析，我們需要在在一個(gè)批次的該型號(hào)器件中抽測(cè)10～12個(gè)樣品，并對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)取平均值作為整批器件的測(cè)量結(jié)果[1]。

2）為了在選取的溫度檢測(cè)二極管上產(chǎn)生正向壓降，需要在其上施加一個(gè)電流源激勵(lì)，便于得出壓降 - 溫度曲線起見，這個(gè)激勵(lì)應(yīng)該是恒定的。激勵(lì)電流的大小，需要仔細(xì)考量：激勵(lì)電流應(yīng)當(dāng)大到可以忽略噪聲和二極管漏電流，一般來講這要求電流大于50 nA；同時(shí)，這個(gè)電流不能過大，以免超出器件的絕對(duì)最大額定值，或者引起器件自身的急劇發(fā)熱。因此，需要根據(jù)器件的功率級(jí)別，結(jié)合器件數(shù)據(jù)表給出的電流參數(shù)或曲線來選取盡可能小的激勵(lì)電流，以避免影響器件性能。可以通過實(shí)驗(yàn)方法，強(qiáng)制電流流過二極管并監(jiān)測(cè)器件的關(guān)鍵特性，來得出這個(gè)激勵(lì)電流的限值。

3）為了保證正向壓降和溫度之間有比較好的線性度，測(cè)量時(shí)應(yīng)使器件處于50～100℃，這是由于二極管PN結(jié)普遍是在高溫段V-T特性要比低溫段V-T特性的線性度好[3]。

2.4 測(cè)量設(shè)備和測(cè)量電路

綜上所述，為了通過溫度檢測(cè)二極管測(cè)量繪制二極管正向壓降-溫度曲線，需要如下設(shè)備：可準(zhǔn)確調(diào)溫的恒溫槽、用來提供二極管偏置電壓的電壓源，輸出范圍適當(dāng)?shù)暮懔髟矗^高精度的數(shù)字萬用表。測(cè)試電路如圖3所示。

2.5 二極管正向壓降-溫度曲線的測(cè)量和結(jié)溫獲得

被測(cè)器件放置于恒溫槽的測(cè)試筒中，連接好所有的測(cè)量設(shè)備。施加微小激勵(lì)電流到器件的連接內(nèi)部ESD二極管的管腳上，將被測(cè)器件加熱到固定溫度，等到器件與周圍環(huán)境溫度到達(dá)熱平衡，記錄二極管電壓輸出值，即正向壓降。記錄多個(gè)不同點(diǎn)的溫度及電壓值VF，即可做出正向壓降 - 溫度曲線 ，如圖4所示。

圖 4 VF-TA曲線Fig.4 VF-TAcurve

通過圖中關(guān)系曲線求出斜率K，可以得到一個(gè)關(guān)于二極管電流恒定時(shí)，其正向壓降與溫度的方程式：

注意此時(shí)TA-diode即為器件的結(jié)溫Tj，所以上述方程式轉(zhuǎn)換為：

這樣，通過以上描述的方法就可以在板級(jí)設(shè)計(jì)之初，模擬功率器件或高功耗器件在特定應(yīng)用中的實(shí)際安裝環(huán)境，通過測(cè)量手段估算出可能的結(jié)溫，來評(píng)估器件在該特定應(yīng)用中的風(fēng)險(xiǎn)，并采取相應(yīng)對(duì)策。

另外，還需要特別指出的是，做到器件的工作結(jié)溫Tj＜Tjmax，僅僅是保證器件的使用安全。不少功率器件的額定功率值（或額定電流值）是在殼溫TC=25℃時(shí)給出的，隨著溫度上升，器件性能相應(yīng)降低，在使用中就不能按標(biāo)稱的最高性能來設(shè)計(jì)，需要根據(jù)器件數(shù)據(jù)表給出的降額參數(shù)并結(jié)合器件的安裝和使用環(huán)境，進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，才可能實(shí)現(xiàn)期望的性能。降額參數(shù)是以溫度每升高1℃，器件使用中需要相應(yīng)降額一定瓦數(shù)來的形式給出，可見這種降額設(shè)計(jì)要求已經(jīng)很直觀了，文中不再贅述。

綜上所述，綜合考慮器件最大結(jié)溫限值和溫升降額使用的要求，在電子系統(tǒng)板級(jí)設(shè)計(jì)階段中才有可能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的熱可靠性。

3 系統(tǒng)測(cè)試階段的結(jié)溫測(cè)算

電子系統(tǒng)在投版試制后的測(cè)試中，也應(yīng)當(dāng)驗(yàn)證一些功率器件和其他高功耗器件的結(jié)溫是否低于器件最大結(jié)溫Tjmax的要求，并評(píng)估器件結(jié)溫是否留有可接受的裕量，能夠保證該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中可靠工作。對(duì)于有明確降額指標(biāo)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步考察熱關(guān)鍵器件的結(jié)溫是否滿足降額指標(biāo)。

測(cè)試階段器件結(jié)溫的測(cè)算相對(duì)比較簡(jiǎn)單，這是因?yàn)槲覀冇辛硗庖粋€(gè)熱設(shè)計(jì)常用的公式：Tj=TC+θJC×PD。結(jié)到器件管殼熱阻θJC取決于器件的封裝等內(nèi)部特性，不隨外部環(huán)境溫度，安裝散熱條件等因素改變，所以我們只需測(cè)得管殼表面溫度TC和器件自身的功耗PD，就可以計(jì)算出比較準(zhǔn)確的結(jié)溫Tj。在測(cè)量時(shí)TC、PD均選取最大值，即可得到器件實(shí)際結(jié)溫的最大值[5]。

器件最大功耗的測(cè)量可以采用下面這個(gè)公式來測(cè)算：

器件的 Vin_max、Vout_min和 Iin_max、Iout_max一般容易測(cè)得。 而對(duì)于TC_max，可將被測(cè)試電子系統(tǒng)的電路板裸露于空氣并加電，設(shè)法使其滿負(fù)荷工作，使用紅外熱成像儀得到整板熱分布圖，就可以找到板上存在較大發(fā)熱風(fēng)險(xiǎn)的器件，同時(shí)可以定位具體器件管殼表面溫度最高的點(diǎn)，接下來使用熱電偶測(cè)溫儀，將微型的熱電偶粘貼在已定位的管殼表面溫度最高點(diǎn)，恢復(fù)電路板在實(shí)際應(yīng)用中的狀態(tài)，即可測(cè)量到準(zhǔn)確的TC_max。

下面以使用TI公司TPS5430做降壓電平轉(zhuǎn)換的一個(gè)特定應(yīng)用為例，簡(jiǎn)要說明Tj的測(cè)算，注意在這個(gè)特例中，為方便讀者看到一個(gè)器件自身功耗主要由那些損耗因素組成，使用了TPS5430器件數(shù)據(jù)表給出的功耗計(jì)算公式，而不是上面所述的通用公式：

1）測(cè)得TPS5430最大輸出電流Imax=1.337 6 A

2）取負(fù)載電流Io=Imax=1.337 6 A

根據(jù)TPS5430器件數(shù)據(jù)表熱估算章節(jié)給出的公式[4]：

（注意：Rds取最大值）

開 關(guān) 損 耗 ：Switching Loss：PSW=Vin×Io×0.01=24×1.337 6×0.01=0.321 W

漏電流損耗：Quiescent Current Loss：Pq=Vin×0.01=0.24 W

即TPS5430芯片的功率（耗散功率）為0.646 744 W

3）Datasheet中只給出了θJA的值，2層電路板和4層電路板2種安裝情況下分別為26℃/W和33℃/W，本例應(yīng)用中采用了6層板，所以取26℃/W為較接近的值。θJA=θJC+θCA，這樣θJC的值最大不會(huì)超過26℃/W（考慮θCA不會(huì)為負(fù)）。所以我們就取26℃/W這個(gè)極限值計(jì)算

4）實(shí)測(cè)中測(cè)到最大殼溫點(diǎn)為70℃，此時(shí)結(jié)溫Tj=TC+θJC×PD=70+0.646 744×26=81.815 344 ℃ 。

此結(jié)溫小于datasheet規(guī)定的125℃最高工作結(jié)溫。另外，上述計(jì)算所采用的數(shù)值基本都是最惡劣情況下的假設(shè)，所以實(shí)際的結(jié)溫要比上述計(jì)算值小。

根據(jù)上述計(jì)算和描述，認(rèn)為該系統(tǒng)的TPS5430器件的熱設(shè)計(jì)滿足了器件數(shù)據(jù)表要求，并留有足夠裕量，該器件在電路板上工作穩(wěn)定性從熱的角度來看是可以保證。

4 結(jié)束語

根據(jù)普遍實(shí)踐，在復(fù)雜電子系統(tǒng)的板級(jí)設(shè)計(jì)過程中，熱管理設(shè)計(jì)往往是一個(gè)重復(fù)迭代的過程。其原因有諸多方面，如：板級(jí)設(shè)計(jì)人員很難在板電路板設(shè)計(jì)之初確定出整板電路的精確功耗；板上器件龐雜，而很多器件廠商往往不能給出充分或足夠精確的器件電氣特性和熱特性，導(dǎo)致精確計(jì)算和板級(jí)熱仿真的建模困難；器件的瞬態(tài)熱分析很難進(jìn)行，其瞬態(tài)功耗難以確定；等等，不一而足。但如果因而忽視熱管理設(shè)計(jì)，導(dǎo)致系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)不良，最終會(huì)降低系統(tǒng)可靠性使成本大幅增加[6]。

比較好的折衷方式是在設(shè)定系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)的條件下，結(jié)合能夠獲得的電氣及熱特性，對(duì)熱關(guān)鍵器件進(jìn)行額定和最差情況分析，并通過一些不復(fù)雜的模擬實(shí)驗(yàn)來確定關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)已進(jìn)行的分析結(jié)果進(jìn)行迭代和重新測(cè)算驗(yàn)證，直到得出比較穩(wěn)定可信的分析結(jié)果為止。本文所論述的器件結(jié)溫估算、測(cè)量、驗(yàn)證方法，正是這種熱管理設(shè)計(jì)方式的主要實(shí)現(xiàn)手段之一[7]。

文中僅從熱管理設(shè)計(jì)的結(jié)溫分析角度進(jìn)行了介紹，而如何根據(jù)這些分析結(jié)果采取相應(yīng)對(duì)策，來化解各種可能的熱風(fēng)險(xiǎn)，則是熱管理的另外一部分重要內(nèi)容，限于篇幅，將另行成文論述。

[1]Maxim Integrated Products，Inc.Monitor Heat Dissipation in Electronic Systems by Measuring Active Component Die Temperature[EB/OL]. （2005-05-11）.http：//www.maxim-ic.com/an3500.

[2]高光渤.半導(dǎo)體器件可靠性物理 [M].北京：科學(xué)出版社，1987.

[3]宋南辛.晶體管原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，1982.

[4]Texas Instruments，Inc.3-A WIDE-INPUT-RANGE STEPDOWN SWIFT CONVERTER[EB/OL].（2009-03-08）.http：//www.ti.com/product/tps5430.

[5]鮑承斌.功率器件熱設(shè)計(jì)及散熱計(jì)算 [J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2007（1）：36-38.

BAO Cheng-bin.Thermal design and cooling numeration of power devices [J].Electronic Design&Application World-Nikkei Electronics China， 2007（1）：36-38.

[6]杜麗華，蔡云枝.PCB的熱設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2002（8）：25-27.

DU Li-hua，CAI Yun-zhi.Thermal reliability design for PCB[J].Modern Electronic Technique，2002（8）：25-27.

[7]夏德印，邵友，陳國定.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2011（3）：21-24，31.

XIA De-yin，SHAO You，CHEN Guo-ding.A temperature monitoring system based on wireless sensor network[J].Industrial Instrumentation&Automation，2011（3）：21-24，31.