從基本原理著手降低元件溫度
? 便攜式產(chǎn)品的小型化、高速化和低成本的需求趨勢似乎永無至境。由于芯片的封裝越來越小,設(shè)計人員總是面臨新的挑戰(zhàn)。許多場合下,為了達到各種電性能,元件在印制板上的間距變得越來越小,這會導(dǎo)致在一很小區(qū)域內(nèi)功率或熱的集中,從而使元件溫度過高,超出系統(tǒng)所能正常工作的要求。
? 一般采用諸如風(fēng)扇、定制的散熱器及熱管等加速冷卻措施,然而這些方法會.增加系統(tǒng)的復(fù)雜性,使系統(tǒng)的成本增加,因而實用性也并不是很好。
? 那么設(shè)計人員又該做些什么呢？首先,為有效地解決散熱問題,應(yīng)盡早地仔細考慮印制板的熱設(shè)計以及元件之間的相互作用等方面將精力集中到冷卻問題的核心。
? 在印制板設(shè)計之初,對于不同元件的功耗要有一個透徹的了解,對不同的功率水平要選擇相應(yīng)的封裝形式,同時還要充分利用封裝的散熱特性。預(yù)先考慮到這些問題,能使設(shè)計工作事半功倍,減少印制板上過熱區(qū)的出現(xiàn)。
? 為指導(dǎo)設(shè)計人員進行更加有效的設(shè)計,本文首先回顧一下基本的熱學(xué)方面的概念。
熱阻
? 通常用熱阻來表征一個已封裝好的器件的熱性能,其符號為希臘字母θ。對于一個半導(dǎo)體元件,熱阻表示了在穩(wěn)態(tài)時從芯片表面每耗散一瓦功率（熱）時,芯片結(jié)點與參考點之間的溫度之差,單位為℃/W。
? 常用到的熱阻有θja(結(jié)到環(huán)境)、θjc(結(jié)到封蓋)和θjb(結(jié)到印制板)等。Θja通常用于自然或強制對流的風(fēng)冷系統(tǒng)中。在這些系統(tǒng)里,元件是安裝在環(huán)氧玻璃型印制板上的。Θjc常用在高導(dǎo)熱的封蓋式封裝中,封蓋上安裝了散熱器。Θjb使用的場合是當(dāng)靠近封裝外引線的印制板溫度能比較精確控制時。本文著重討論θja,因為在便攜式產(chǎn)品中多數(shù)是這種對流冷卻的印制板系統(tǒng)。
? 元件制造商通常是從實驗室測得的數(shù)據(jù)或計算機模擬的結(jié)果來決定θja值。這些數(shù)據(jù)包括芯片的結(jié)溫（Tj）,環(huán)境空氣的溫度（Ta）--它和封裝表面的溫度近似相等,以及所耗散的功率(Pd)。有了這些數(shù)據(jù),θja可按下式計算出來：
θja = (Tj-Ta)/Pd, 單位℃/W
一個系統(tǒng)級的最終用戶,從給定的θja值（例如從產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊中查到的）,按照下式估算出芯片的結(jié)溫：
Tj = Ta + (θja×Pd), 單位℃
? 從上式可以看出,要降低結(jié)溫可以從降低θja、Pd或Ta著手。也許降低Tj最穩(wěn)妥的方法是進行有效的器件設(shè)計,使得耗散功率Pd降低,這就從根本上減少了器件耗散的熱量。另一種降低θja的方法是采用強制氣冷措施,這種方法和被動式的自然對流和輻射冷卻方法相比,主要是增加了系統(tǒng)的對流系數(shù),從而提高了系統(tǒng)的散熱能力。在給定了功率、Ta和氣流大小的情況下,唯一能夠降低Tj的途徑,是選擇合理的封裝和進行優(yōu)化的印制板設(shè)計,只有這樣才能使θja降低到最小值。
測試方法和測試板
? 采用標(biāo)準(zhǔn)化的測試方法,能有助于比較不同器件相對的熱特性。如果在標(biāo)準(zhǔn)化測試中,一個元件或一種封裝形式所表現(xiàn)出來的特性比另一種要好,那么在同樣設(shè)計的實際系統(tǒng)中,它就有可能會有同樣較佳的表現(xiàn)。
? 標(biāo)準(zhǔn)化的試驗方法方便了元件的制造,同時也為設(shè)計時選擇合理的封裝提供了依據(jù)。然而在實際系統(tǒng)中采用供應(yīng)商提供的這些“硬”數(shù)據(jù)時,尤其要注意的一點是這些數(shù)據(jù)是在特定的測試條件下測得的。這就要求板/系統(tǒng)設(shè)計人員必須了解這些數(shù)據(jù)是如何獲得的,諸如測試時所用的方法和測試板的狀況以及它們與所設(shè)計的實際系統(tǒng)之間有什么差別,同時還要考慮板上其它功耗元件產(chǎn)生的影響等等。
? 許多公司采用JEDEC EIA/JESD51-X 系列標(biāo)準(zhǔn)。這種標(biāo)準(zhǔn)定義了測試方法、條件以及印制板設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。有關(guān)這個標(biāo)準(zhǔn)可從 主頁上點擊 "Design Support/Packaging Information" (設(shè)計支持/封裝信息)得到。
