介紹

　　熱管理在封裝選擇過程中至關(guān)重要，以確保產(chǎn)品的高可靠性。良好的熱評估需要結(jié)合分析計算、經(jīng)驗分析和熱建模。問題在于確定特定集成電路在高溫下是否可靠。如果不遵循特定的分析方法，就不可能提供可靠的答案。在直流模式操作中，一些參數(shù)如熱阻 (θ JA ) 和結(jié)溫 (θ JC)。作為熱導(dǎo)倒數(shù)的熱阻測量物體或材料抵抗熱流的溫差。另一方面，結(jié)溫是雙極晶體管、MOSFET 和整流器的半導(dǎo)體熱分析中的一個重要因素。目前，該術(shù)語用于所有電源設(shè)備，包括 IGBT 設(shè)備。在 AC 模式下或 LED 由使用 PWM 調(diào)制的 MOSFET 驅(qū)動的情況下，有必要定義瞬態(tài)熱數(shù)據(jù)。我們應(yīng)該回答的問題是：芯片在遇到熱問題之前可以在一定的功率水平下運行多長時間?我們將在接下來的段落中嘗試確定與功耗相關(guān)的熱方程，以便可以將芯片的結(jié)溫預(yù)測為時間的函數(shù)。這種方法將用于任何類型的芯片?；谶@些方程，將定義一個 RC 等效電路模型(使用 SPICE 輕松模擬)，代表 IC 的瞬態(tài)熱特性。

　　熱動力學(xué)

　　溫度與時間的關(guān)系源自兩個主要定律：牛頓冷卻定律和能量守恒定律。

　　其中T B是體溫，T A是環(huán)境溫度，K A是比例常數(shù)。

　　其中 P 是施加于身體的功率，m 是質(zhì)量，c 是比容量。牛頓定律指出，身體熱量損失的速率與身體和環(huán)境之間的溫差成正比。另一方面，能量守恒定律指出能量不能被創(chuàng)造或毀滅，只能從一種形式改變?yōu)榱硪环N形式或從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體。如上所述，熱阻是要分析的第一個因素：它可以在 IC 數(shù)據(jù)表中輕松找到。計算應(yīng)在熱平衡條件下進(jìn)行。

　　熱模型

　　此時，應(yīng)定義物理數(shù)學(xué)模型，以便可以應(yīng)用上述方程。顯示了安裝在 PCB 上的芯片的示意圖布局：涉及不同的材料，包括環(huán)氧樹脂、芯片和封裝。我們將要分析的模型是基于熱流的方向：熱量從外部源流向模具(當(dāng)主熱源在外部時)和從模具熱流向環(huán)境(當(dāng)主熱源位于外部時)。模具)。

　　在第一種情況下，我們將求解第二段中計算的關(guān)于 T B的微分方程 (dT B /dt) 。當(dāng)熱源位于外部時，前面的公式可用于估算芯片溫度(在封裝和芯片級)。一個例子是靠近大電流芯片的 MOSFET，它會散發(fā)大量熱量。我們現(xiàn)在可以考慮另一種情況，在這種情況下，主體在芯片上產(chǎn)生熱量并通過環(huán)氧樹脂和封裝將熱量散發(fā)到環(huán)境中. 為了求解這個系統(tǒng)，有必要為所有三個物體定義微分方程。

　　其中 T Bi (i = 1、2 和 3)是主體(芯片、環(huán)氧樹脂和封裝)的瞬時溫度。術(shù)語 P 表示從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體的功率(例如，P 12 是從物體 1 轉(zhuǎn)移到物體 2 的功率)，而 P G 是源功率?？紤]單個物體的冪 P 的表達(dá)式并應(yīng)用拉普拉斯變換，我們得到每個物體的以下三個微分方程。

　　其中 T i 變量是積分常數(shù)，m i 系數(shù)是 k i的函數(shù)， θ ij是從物體 i 到物體 j 的熱阻。為了解決上面提到的方程，我們需要知道所有的參數(shù)。為了避免繁瑣的計算，我們可以嘗試將模型實現(xiàn)為一個簡單的 RC 網(wǎng)絡(luò)，以便使用電路分析軟件 (Spice) 通過確定相關(guān)參數(shù)來求解微分方程。

　　主要思想是用無源 RC 電路對上一段中獲得的微分方程進(jìn)行建模，以模擬芯片上產(chǎn)生的功率。電容器上的電壓代表芯片 (C 1 )、環(huán)氧樹脂 (C 2 ) 和封裝 (C 3 ) 的初始溫度。V A代表環(huán)境溫度，而 I S(進(jìn)入電容器 C 1的電流)是芯片上產(chǎn)生的功率。 用 T B1代替 V C1 ，用 T B2代替V C2 ， 用 T B3代替V C3 ， 用 P G代替 I S，我們得到以下微分方程：

　　模具溫度測量

　　可以使用不同的技術(shù)來執(zhí)行管芯溫度測量。其中之一利用了 ESD 二極管的正向壓降。為確保測量精度在允許范圍內(nèi)，所選的 ESD 二極管不應(yīng)具有較大的寄生電阻。此外，建議將二極管放置在非?？拷酒顭狳c的位置。如果您選擇使用 FET 的 R ds (on) 作為溫度指示器進(jìn)行操作，則必須確保 FET 在測量點處于退出模式。R ds (on)，即導(dǎo)通電阻，表示晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時的內(nèi)阻(V GS= 0)。ESD二極管連接在芯片的引腳和電源電壓之間，具有直接極化。由于從測量中我們獲得了二極管上的電壓，因此我們還必須考慮二極管上的電壓與溫度之間的關(guān)系。

　　RC網(wǎng)絡(luò)測量

　　MAX16828/MAX16815 LED 驅(qū)動器將用于測試剛剛描述的模型。這些芯片可以在高達(dá) 40V 的電壓下工作，只需要幾個外部元件。MAX16828 提供約 200 mA 的最大 LED 電流。這兩款驅(qū)動器都用于汽車應(yīng)用，例如側(cè)燈、外部燈、背光和指示燈。為了獲得裸片溫度的直接指示，測量連接在 DIM 和 IN 引腳之間的內(nèi)部 ESD 二極管的直流電壓。吸收電流約為100μA，產(chǎn)生約2mV/K的電壓變化。

　　配置確保讀取和估計溫度，誤差約為 ± 10 mV。為了計算 K A 和 θ JA芯片應(yīng)該用熱風(fēng)槍加熱?？梢酝ㄟ^測量二極管電壓來監(jiān)測管芯溫度。

　　結(jié)論

　　使用全芯片熱模型分析裸片溫度對于發(fā)現(xiàn)和避免潛在的熱風(fēng)險非常重要。使用 Maxim 驅(qū)動器獲得的實驗結(jié)果很好地表明了該模型。使用 Spice 可以輕松模擬 RC 網(wǎng)絡(luò)，以便輕松指示 IC 的瞬態(tài)溫度。該模型適用于任何芯片，并允許定義操作模式以避免過熱。