熱分析是材料科學的一個分支，它研究材料隨溫度變化的特性。所有集成電路在受到電壓時都會產(chǎn)生熱量。因此，為了將器件的結(jié)溫保持在最大允許值以下，應提供通過封裝的熱流估計。
介紹
熱管理在封裝選擇過程中至關重要，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 和整流器的半導體熱分析中的一個重要因素。目前，該術語用于所有電源設備，包括 IGBT 設備。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的熱方程，以便可以將芯片的結(jié)溫預測為時間的函數(shù)。這種方法將用于任何類型的芯片。基于這些方程，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
溫度與時間的關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。計算應在熱平衡條件下進行。
熱模型
此時，應定義物理數(shù)學模型，以便可以應用上述方程。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(當主熱源在外部時)和從模具熱流向環(huán)境(當主熱源位于外部時)。模具)。
在第一種情況下，我們將求解第二段中計算的關于 T B的微分方程 (dT B /dt) 。當熱源位于外部時，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。考慮單個物體的冪 P 的表達式并應用拉普拉斯變換，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，以便使用電路分析軟件 (Spice) 通過確定相關參數(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) 作為溫度指示器進行操作，則必須確保 FET 在測量點處于退出模式。R ds (on)，即導通電阻，表示晶體管處于導通狀態(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系。
RC網(wǎng)絡測量
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 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芯片應該用熱風槍加熱?？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，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。
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