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原创电子产品可靠性设计之热设计

 2013-7-19 13:10  1328 10 10 分类: 消费电子

0. 序言

热设计的范畴和意义

热设计的基本概念

热设计的方法

热仿真

热测试

1. 热设计的范畴和意义

2. 热设计的基本概念

器件温度等级

---------------------------------------------------------

商业级Commercial（0℃~70℃）；

工业级Industrial（-40℃~85℃）；

汽车级Automotive（-40℃~105℃）；

军工级military（-55℃~125℃）；

器件通常涉及到的三种不同温度

---------------------------------------------------------

Ambient Temperature 环境温度

Case Temperature 器件封装外壳温度

Junction Temperature 器件结温（半导体核心的温度）

三种不同热阻的概念

---------------------------------------------------------

热阻Rja：芯片的热源结（junction）到周围冷却空气（ambient）的总热阻，

热阻Rjb：芯片的结与PCB板间的热阻，

热阻Rjc：芯片的热源结到封装外壳间的热阻，

热阻、热流、温度的关系（热路定理）

---------------------------------------------------------

热路与电路的对应关系

热阻电阻

热流（功耗）电流

温度（温升）电压（电位差）

电压 = 电阻 * 电流

温升 = 热阻 * 功耗

--------------------------------华丽的分割线-----------------------------------

无散热器（Heatsink）情况下的热路定理

TJ = TT + P *ΨJT

Where:

„TJ = junction temperature at steady-state condition, oC

„TT = package case to center temperature at steady-state condition, oC

„P = device power dissipation, Watts

„ΨJT = package thermal characteristics (no air flow), oC/W 【 Junction to Case Temperature ΘJc】

--------------------------------华丽的分割线-----------------------------------

有散热器（Heatsink）情况下的热路定理

TJ = TT + P * [(RHS+Ra) *ΨJC/(RHS+Ra+ΨJT)]

Where:

„TJ = junction temperature at steady-state condition, oC

„TT = package case to center temperature at steady-state condition, oC

„P = device power dissipation, Watts

„ΨJT = package thermal characteristics (no air flow), oC/W 【 Junction to Case Temperature ΘJc】

„RHS=thermal impedance of heat sink. oC/W

„Ra= thermal impedance of adhesive between heat sink and IC surface. oC/W

总结【散热片】

从公式中可以看出，增加散热片本质上就是减小junction到case的结温，

类似于两个电阻并联引起总的阻值变小，热阻的并联也会导致总的热阻下降。

由于ΨJT值固定不变（ΨJT 为case to junction thermal resistance），所以散热片到case（散热片到导热胶的热阻以及导热胶到散热片的热阻，这两个热阻串联，所以为两者之和）的结温越小，等效于减小case到junction之间的热阻，使得在固定的环境温度下，增加散热片比不加散热片时器件的结温降低。

3. 热设计的方法

4. 热仿真

5. 热测试

1. 如何确认热仿真的准确度？

2. 如何确认热设计满足产品设计要求？

3. 如何确认芯片的结温没有超过器件规格？

答案是通过热测试来确认上述三个问题。

结温是芯片内部半导体的问题，隐藏在芯片外部包裹的陶瓷之内，所以没有办法直接测试芯片的结温。但我们可以通过芯片的壳温利用热流公式间接得到芯片的结温值。

一般可靠性设计中，对芯片结温的降额为规格值的90%。

假如芯片的结温最大值为120℃，通过测试壳温得到的结温不超过120*90%℃，则可以判定针对该芯片的热设计是通过的。

无散热片

TT Derating-Limit≦ TJ*90% - P *ΨJC