热分析与热设计技术（上）
热与冷都会对电路造成负面影响。在极高温下，芯片可能烧毁（图1）。更常见的情况是，如果你的设计达到未曾预料的温度，很多部件都可能超出规定极限。当出现这种情况时，电路就可能表现出难以预料的行为。另外一个情况也同样值得关注，即电路温度从热到冷，然后又从冷到热。这种状况会造成热冲击，也会毁坏元件。很多工程师并不关心自己的电路在低温下的性能，但这种忽视是一个错误。半导体器件的性能在低温下会发生显著变化。双极晶体管的基射结电压在低温下会大大升高。Analog Devices 产品开发工程经理 Francisco Santos 说：“如果你要设计一个能够在负温度下工作于1.8V的放大器，就要考虑当从室温降到-40℃时，VBE（基射电压）会增加 130mV。这种情况将迫使设计者采用一组完全不同的放大器架构。”
很多放大器，如Analog Devices 的AD8045，在冷却时会加速（图3），而有些放大器（如AD8099）则在变冷时会降速。已退休的Linear Technology 信号处理产品前副总裁兼总经理Bill Gross称：“双极晶体管在低温下遇到的多数麻烦是低电压工作。”他认为，较高的基射电压和较小的电流增益都更难于满足规格要求。他说：“较低的输入阻抗和b（电流增益）的不匹配都会造成低温下的大问题。尤其是当它们为室温运行作了调整时。较高的gm（跨导）很容易通过改变工作电流而得到补偿，但这样的话转换速率就会变化。”
低温会造成振荡、不稳定、过冲，以及不良的滤波性能。百万分之几测量法可以改变你的元件在高温和低温下的值。如果你预计IC内核工作在 -55℃ ~ +85℃，则在25℃环境下只需60℃就到了最高温度上限，而从环境温度到-55℃是80℃温差。所以，要查明你的错误就应检查热与冷两种情况。Kettering大学（密歇根州 Flint）电气工程教授James McLaughlin认为，当你将硅片加热超过数百度时，它会“本质化”。换句话说，温度足够高时，掺杂物会通过晶格作迁移，不再存在 PN 结，而只是一块不纯的导电硅片。那么连接线是否会爆炸？还是硅片继续加热至熔融，直至挥发掉？
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。
热分析
电路的热分析分三个步骤。首先估计IC中产生的热量。然后，估计电路板或散热片散掉的热量。最后，估计部件将要运行的环境温度（图4）。在估计元件产生的热量时，DC分析通常没什么价值。一只电压为1V、流过 1A 电流的电阻器，会产生1W的热量。但是，要估计交流或未确定的信号所产生的热量就比较麻烦。首先，从电源端到接地脚的静态电流总是在耗散一个直流功率。一个采用10V电源和5mA静态电流的器件会产生50mW热量。但是，在运行中，该静态电流可能有所变化。偏置电流和基极驱动电流通常在遇到交流信号时会增加。最大的挑战是计算出器件输出电流所产生的热量。这种估算可能并不简单。一只器件为一个负载提供的功率是可变化的，但是，如果输出晶体管是常开或常闭状态，则器件内部消耗的功率就相对较小。如大多数放大器所使用的传统图腾柱输出级，输出一个满摆幅方波时发热并不是最大。IC 内最糟的发热情况是器件输出一个方波，其振幅是电源范围的一半。如果器件工作在±12V电压，则±6Vp-p的方波就会在输出级产生最大的热量。正弦波输出的内部发热较低。如果信号很复杂或者比较乱，则很难估计IC内真实的最差情况下发热状况。如有含有大电容和大电感元件的电抗性负载，则功耗估计工作会更加复杂。因为电压和电流不是同相位，因此有关半振幅方波的简单假设也不可行。
如果你能确定IC通过信号的特性，就可以用Spice来估算功耗。此时必须保证使用恰当的Spice模型，它们对一些测试信号给出合理的结果，而功耗计算此时没有价值。图5 表示一个Spice图。芯片的功耗不同于到达负载的功率。图 6 是图 5 示意图的 Spice 曲线图。它以红线表示启动的振荡。电路是否会发生这种振荡只是个人的猜测，但它应该会使你在建立原型后查看这种行为。记住，在 Orcad Capture 上点击 W 键只能显示芯片的静态功耗。要获得工作时的功耗，要用示意图上的功率标记，然后用曲线程序的 rms-math 函数，给出器件的平均功耗。
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。