確保您的IC封裝/PC電路板設(shè)計(jì)的散熱完整性

您只構(gòu)建了一個(gè)專業(yè)設(shè)計(jì)的電路實(shí)驗(yàn)板。您完成了布局以前需要做的所有仿真，并查看了廠商對(duì)于特定封裝下獲得較好散熱設(shè)計(jì)的建議方法。您甚至仔細(xì)檢查了紙面上的初步熱分析方程式，給予了它們應(yīng)有的注意，旨在確保不超出 IC 結(jié)點(diǎn)溫度，并具有較為寬松的容限。但稍后，您開(kāi)啟電源，IC 摸起來(lái)還是非常的熱。對(duì)此，您感到很不滿意(更不用說(shuō)您的散熱專家以及可靠性設(shè)計(jì)人員的焦慮了)?，F(xiàn)在，您該怎么辦？

　　在談到整體設(shè)計(jì)的可靠性時(shí)，通過(guò)讓 IC 結(jié)點(diǎn)溫度遠(yuǎn)離絕對(duì)最大值水平，在環(huán)境溫度不斷升高的條件下保持您的電路設(shè)計(jì)的完整性是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮因素。當(dāng)您逐步接近具體電路設(shè)計(jì)中央芯片的最大功耗水平(Pd 最大值)時(shí)更是如此。

　　您進(jìn)行散熱完整性分析的第一步是深入理解 IC 封裝熱指標(biāo)的基礎(chǔ)知識(shí)。

　　到目前為止，封裝熱性能最常見(jiàn)的度量標(biāo)準(zhǔn)是 Theta JA，即結(jié)點(diǎn)到環(huán)境測(cè)得(建模)的熱阻。Theta JA 值也是最需要解釋的內(nèi)容。能夠極大影響 Theta JA 測(cè)量和計(jì)算的一些因素包括：

　　貼裝板：是/否？

　　線跡：尺寸、成分、厚度和幾何結(jié)構(gòu)

　　方向：水平還是垂直？

　　環(huán)境：體積

　　靠近程度：有其他表面靠近被測(cè)器件嗎？

　　熱阻 (Theta JA) 數(shù)據(jù)現(xiàn)在對(duì)使用新 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)的有引線表面貼裝封裝有效。實(shí)際數(shù)據(jù)產(chǎn)生于數(shù)個(gè)封裝上，同時(shí)熱模型在其余封裝上運(yùn)行。按照封裝類型以及不同氣流水平顯示的 Theta JA 值來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)分組。

　　結(jié)點(diǎn)到環(huán)境數(shù)據(jù)是結(jié)點(diǎn)到外殼 (Theta JC) 的熱阻數(shù)據(jù)。實(shí)際 Theta JC 數(shù)據(jù)會(huì)根據(jù)使用 JEDEC 印制電路板 () 測(cè)試的封裝生成。

　　天啊，誰(shuí)有這么多時(shí)間和耐性做完所有這種分析和測(cè)試——當(dāng)然 JEDEC 除外！在本文中，您將了解到在測(cè)試您設(shè)計(jì)的散熱完整性時(shí)如何安全地繞過(guò)這些步驟。

　　通過(guò)訪問(wèn)散熱數(shù)據(jù)，您可以將散熱數(shù)據(jù)用于您正使用的具體封裝。這里，您會(huì)發(fā)現(xiàn)額定參量曲線、不同流動(dòng)空氣每分鐘直線英尺 (LFM) 的 Tja，以及對(duì)您的設(shè)計(jì)很重要的其他建模數(shù)據(jù)。

　　所有這些信息都會(huì)幫助您不超出器件的最大結(jié)點(diǎn)溫度。尤為重要的是堅(jiān)持廠商和 JEDEC 建議的封裝布局原則，例如：那些使用 QFN 封裝的器件。4下列各種設(shè)計(jì)建議可幫助您實(shí)施最佳的散熱設(shè)計(jì)。

　　既然您閱讀了全部建模熱概述，并且驗(yàn)證了您的電路板布局和散熱設(shè)計(jì)，那么就讓我們?cè)诓皇褂蒙峤＼浖蛘邿犭娕紲y(cè)量實(shí)際溫度的情況下檢查您散熱設(shè)計(jì)的實(shí)際好壞程度吧。產(chǎn)品說(shuō)明書中的 Theta JA 額定值一般基于諸如 JEDEC #JESD51 的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其使用的是一種標(biāo)準(zhǔn)化的布局和測(cè)試電路板。因此，您的散熱設(shè)計(jì)可能會(huì)不同，會(huì)有不同于標(biāo)準(zhǔn)的 Theta JA，這是因?yàn)槟唧w的 PC 電路板設(shè)計(jì)需求。

　　如果您想知道您的設(shè)計(jì)離最佳散熱設(shè)計(jì)還有多遠(yuǎn)，那么請(qǐng)對(duì)您的 PC 電路板設(shè)計(jì)執(zhí)行下列系統(tǒng)內(nèi)測(cè)試。(嘗試將電壓設(shè)置到其最大可能值，以測(cè)試極端條件。)

　　要想獲得最佳結(jié)果，請(qǐng)使用一臺(tái)烤箱(非熱感應(yīng)系統(tǒng))，然后靠近電路板只測(cè)量 Ta，因?yàn)榭鞠溆幸恍狳c(diǎn)。如果可能，請(qǐng)?jiān)陔娐钒宓撞渴褂靡粋€(gè)熱絕緣墊，以防止室溫空氣破壞測(cè)量。

　　我們此處的測(cè)試中，我們只關(guān)心我們測(cè)試電路板上具體芯片的 Tj 情況。我們將其用作方程式的替代引用，該方程式計(jì)算得到具體測(cè)試 PC 電路板的熱阻 Theta JA。它應(yīng)該非常明顯地表明我們的散熱設(shè)計(jì)質(zhì)量。如果芯片具有這種散熱片，則對(duì)幾塊 PC 電路板進(jìn)行測(cè)試以獲得一些區(qū)域(例如：PowerPadTM)焊接完整性的較好采樣，目的是正確使用這種獨(dú)特的封裝散熱片技術(shù)。要找到 teF 允許的器件最大 Tj，請(qǐng)將 PC 電路板置入恒溫槽中，同時(shí)器件無(wú)負(fù)載且僅運(yùn)行在靜態(tài)狀態(tài)。緩慢升高恒溫槽溫度，直到 TEF 被觸發(fā)。出現(xiàn)這種情況時(shí)恒溫槽的溫度點(diǎn)便為Tj，因?yàn)?Ta = Tj。這種情況下，功耗 (Pd) 必須處在非常低的靜態(tài)水平，并且可被視作零。將該溫度記錄為 Tj。它將用于我們的方程式，計(jì)算 Theta JA。

　　其次，計(jì)算出您電路的最大 Pd。將恒溫槽溫度升高到產(chǎn)品說(shuō)明書規(guī)定的 IC 最大環(huán)境溫度以上約 10 或 15 度(將該溫度記錄為 Ta)。這樣做會(huì)使 TEF 更快地通過(guò)自加熱?，F(xiàn)在，通過(guò)緩慢增加 Pd 直至 TEF 斷開(kāi)，我們將全部負(fù)載施加到 IC。在 TLC5940 中，我們改變外部電阻 R(IREF)，其設(shè)置器件的 Io 吸收電流。如果超高溫電路有滯后，則電路會(huì)緩慢地溫度循環(huán)，從而要求我們緩慢地降低 Pd 直至循環(huán)停止。這時(shí)，恒溫槽溫度應(yīng)被記錄為 Pd 最大值。

　　最后，要獲得您電路板的 Theta JA，請(qǐng)將測(cè)得的 Tj 值、Ta 值和 Pd 最大值插入到下列方程式中：

　　Theta JA = (Tj-Ta)/Pd max

　　如果您擁有一個(gè)較好的散熱設(shè)計(jì)，則該值應(yīng)接近 IC 產(chǎn)品說(shuō)明書中的 Theta JA。

　　幸運(yùn)的是，這種測(cè)試不依賴于外殼 (Tc) 或結(jié)點(diǎn) (Tj) 的直接溫度測(cè)量，因?yàn)楹茈y準(zhǔn)確地在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量到它們。

　　小貼士：

　　· 一定要將 PC 電路板放入恒溫槽中幾分鐘

　　· 將 Vsupply X Iq 加上理想 Pd，考慮 Iq 的 IC 功耗。這可能是也可能不是一個(gè)忽略因素。

　　在本文一開(kāi)始提及的情況中，如果您的設(shè)計(jì)的 Pd 接近 Pd 最大值，則您可以利用如下方法來(lái)改善散熱設(shè)計(jì)：使用更好的散熱定額封裝。在 TLC5940 案例中，帶散熱墊 (PowerPad) 的 HTSSOP 可能更佳。

　　·增加 PC 電路板銅厚度，其通過(guò)散熱墊或者其他散熱片器件來(lái)對(duì) IC 散熱。

　　·如果可能，利用氣流來(lái)降低 IC 承受的最高環(huán)境溫度。

　　·降低器件 Pd。在我們的測(cè)試中，可以通過(guò)如下幾種方法完成這項(xiàng)工作：

　　降低 V(LED)

　　將一個(gè)串聯(lián)電阻添加到 LED 電流通路。這樣做不會(huì)改變?cè)O(shè)計(jì)的總功耗，但它會(huì)將 IC 封裝的一些 Pd 移到外部串聯(lián)電阻。

　　總結(jié)

　　優(yōu)秀的電路設(shè)計(jì)人員要?jiǎng)?wù)必有一個(gè)穩(wěn)健的電氣設(shè)計(jì)，它可以在最高環(huán)境溫度下處理極端電壓和電流。很多時(shí)候，人們常常遺忘的方面或者一個(gè)較少考慮的方面是極端工作條件下封裝的散熱設(shè)計(jì)完整性。這可能是您的設(shè)計(jì)中一個(gè)更為重要的方面，因?yàn)樗诤艽蟪潭壬蠜Q定著電路的可靠性。

　　這里說(shuō)的是一種就散熱方面而言確定最佳設(shè)計(jì)的相對(duì)快速和簡(jiǎn)單的方法，其無(wú)需一些笨拙或耗時(shí)的方法，或者價(jià)格昂貴的軟件分析。另外還介紹了一些降低 Pd 或者至少降低 IC 封裝自身功耗的一些方法。

　　我們希望您找到這些有用的方法和工具，以及一些確保您的設(shè)計(jì)的完整性的方法，從而讓您能夠節(jié)省出時(shí)間用于繁忙的 EE 工作的其他方面。