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热分析与热设计技术(下)

日期:2012-06-19

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即使当官网在电路中工作时,许多聪明的半导体制造商都会自己测量内核本身申博,他们用的是一片IC 的每个输入、输出和控制脚上都有的 ESD(静电放电)二极管(图11)。你可以将这种方法用于有复位或 CS(片选)脚的IC,也可以用多个其它脚作测量。由于二极管的正向压降与电流成正比,你可以将芯片放入烤箱,使小电流通过 ESD 二极管。业内很多人认为,100mA 的电流不会造成二极管的任何自热现象。你不需要为部件加电来测量二极管电压,你可以用电源脚上或接地脚下的任何输入或输出脚。管脚内部的 ESD 二极管会将该脚箝位在大约 0.6V。如果是复位脚,它需要在部件工作时保持高电平,则将该脚上拉到电源脚。当烤箱申博上升时,ESD 二极管的正向压降从大约 0.7 V降到 0.53V。同样,如果多余管脚是片选脚,它必须在 IC 工作时保持为低电平,则可以将该脚拉低到接地脚,并从 ESD 二极管获得数据。如果该脚是输出脚,则要与制造商联络,以确认没有外部电流会妨碍全部 100mA 电流穿过二极管。你必须对每种 IC 测量这个数据,不同工艺有不同的电压/过温关系。当你准备对电路中运行IC作测量时,在管脚注入100mA使其升至VCC以上,或从该脚拉出 100mA,将其降到接地以下。然后,就可以测量电压差,并推算内核的申博。

ESD方法虽有价值,但也有限制。如果IC提供数百毫安电流,则在VCC或接地的金属线和连接线内部就会有电压降。这些电压降可能对ESD二极管电压的测量值有增、减作用。你应该向应用小组,甚至 IC 设计者咨询是否会出现这种情况。为抵消电压降,可以在测量时停止供电。注意硅片的发热时间常数是微秒级,因此你必须用一台快速示波器或采集系统测量,保证测到的不是二极管已经冷却后的ESD二极管正向电压。

有关ESD二极管方法的另一个担心是,IC芯片并不是等温的,即它们在空间和时间上都不具备相等或恒定申博。测量ESD二极管时并不能永远保证测到的是内核的最热点。这里关注的是ESD二极管,它总是在芯片的边沿,低于输出晶体管的申博。你可以获得IC工作时的IR热娱乐图(图12)。图中明亮的白点比ESD 二极管所在的内核边沿高 25℃。当官网工作在高温下时,可能需要降级使用(参考文献8)。在 150℃时,官网可能不能满足电路的要求。

还有一种与 ESD 二极管技术等值的方法,可测量 FET 的申博,即使 FET 正在工作。这种方法利用了一种现象,即 FET 导通电阻与其申博成正比。FET 的申博越高,导通电阻就越大。通过记录各种申博下的导通电阻,就可以在 FET 工作在导通状态时测量其上的电压和通过的电流,从而推算出 FET 的申博。这种方法甚至可以用于电源芯片中集成的 FET。记住自热总是电子电路中的一个隐蔽的现象,因此,当在烤箱中获取导通电阻数据的时候,必须为 FET 加一个短暂的快速上升脉冲电流,以保证内核与烤箱有相同的申博。

做测量只是检查真实情况,验证自己的假设与估算的一个部分。如果没有可用的环境申博,你还必须自己创造出来。汽车公司会在亚利桑那州和加拿大做跟踪测试,对于电子测试,采用台面测试室或申博强制系统,如Thermonics的T-2500E型(图13)。要确保使用的电缆和测试线可以承受热量。Brown BNC电缆有较高的额定申博,优于更常用的黑色U58型线(参考文献9)。热风枪的快速气流就可以加热 IC,但要小心,IC 可能很容易被热风枪毁坏。制冷喷雾器某种程度上比较安全,但也有在电路上结霜造成电路短路的缺点。测试室可以建立大气环境,包括申博、压力和湿度,你需要用这三方面来完全模拟实际的环境。

总之,必须在设计电子系统时牢记热设计的危险,小心可以毁掉设计的外部影响。与增加自有电路的其它工程师作交流,这些电路会增加或减少你电路中的热量。同样重要的是与小组中的机械工程师交流热问题。他们可能是你确保良好热设计的最佳伙伴。如果经理准备去掉风扇,并将外壳从金属改为塑料时,你应该准备好热电偶和测试室,向他表明这不是个好主意。

参考文献
1. Pease, Bob, "What's All This VBE Stuff, Anyhow?".
2. "What Causes Semiconductor Devices to Fail?" Test & Measurement World, Nov 1, 1999.
3. Osterman, Michael, PhD, "We still have a headache with Arrhenius," Electronics Cooling.
4. Williams, Jim, "Measurement techniques help hit the 1-ppm mark," EDN, April 26, 2001, pg 117.
5. Rako, Paul, "Beyond Spice," EDN, Jan 18, 2007, pg 41.
6. Stoller, Gary, "Doomed plane's gaming system exposes holes in FAA oversight," USA Today, Feb 16, 2003.
7.
www.x26.com/irpaper_emissivity.htm.
8. "Thermal Techniques, Apex AN11," Apex Microtechnology.
9. Kirkwood, A, and Eric Albrecht, "Coaxial Cable Types".

 

FLOMERICS
 
FLOMERICS公司创立于1988年,是全球第一个开发专门针对电子设备热设计仿真软件的公司,自1989年推出FLOTHERM电子热分析软件以来就一直居于市场领导地位并引领该行业的技术发展。目前FLOMERICS公司还是一家在伦敦股票交易所上市的高技术软件公司。在1999年,FLOMERICS公司还兼并了在时域电磁场分析方面全球领先的KCC软件公司,推出了全球首个系统结构级电磁兼容仿真软件FLO/EMC,目前FLO/EMC和FLOTHERM软件已实现完全无缝和同一界面的协同设计,可共享几何模型,令结构设计工程师可以快速方便地全面分析系统的散热与电磁兼容性这一对矛盾并得出符合二者要求的设计方案。
 
作为电子热分析领域技术的领导者和标准制定者,FLOMERICS公司拥有业内数量最大的电子热分析专家队伍,FLOTHERM不但是全球第一套专业电子散热分析软件,也是目前唯一拥有参数化和目标驱动优化设计功能、全球标准IC封装热分析模型库(Flopack)及CAD模型自动热等效简化功能的软件,其中Flopack芯片封装热分析模型已被美国JEDEC组织考虑作为全球唯一的IC标准热模型。FLOMERICS公司一直并会继续领导全球电子散热设计技术的发展。
 
Flo/EMC是目前全球唯一专业面向系统级电磁兼容分析的仿真软件。FLO/EMC采用先进的时域传输线矩阵法(TLM),只需要一次求解就可以得到系统在整个频域的响应曲线。它非常适合进行系统和子系统级的屏蔽效能分析、辐射性能分析以及散射参数分析。可以直接获得时域响应曲线、屏蔽效能曲线、三维的空间电磁场分布图及随相位和空间位置变化的动态效果图、表面电流分布图以及辐射方向图等分析结果。
 
Microstripes是功能强大的三维电磁计算仿真软件。Microstripes三维电磁场分析软件采用高级时域传输线矩阵(TLM)求解Maxell方程组。在时域通过冲击脉冲激励,可以一次性求解出系统整个宽频的响应。Microstripes友好的图形操作界面,独特OCTREE网格划分技术等特点使其成为分析复杂、电大尺寸天线及微波官网模型电磁场特性的理想工具。
 
申博 (可以读作“Trister”)是FLOMERICS公司兼并的MicReD公司研发制造的先进的热测试仪,用于测试半导体芯片组的热特性。申博运用先进的JEDEC静态试验方法(JESD51-1),通过改变半导体芯片组的输入功率,从而使该芯片组从“冷”状态转变为“热”状态。在变化过程中,申博测试出芯片的瞬态申博响应曲线,仅在几分钟之内即可分析得到关于该芯片组的全面的热特性。
 
EFD是无缝集成于主流CAD软件中的通用CFD分析软件,EFD分析:包括CAD模型建立、自动网格划分、边界施加、求解和后处理等都完全在CAD软件界面下完成。整个过程快速高效,EFD直接应用CAD实体模型,自动判定申博区域,自动进行网格划分,无需对申博区域再建模。EFD基于当今主流CFD软件都广泛采用的有限体积法开发,它比其它基于有限元法开发的CFD软件更适合于做申博分析。
 
依据独立的第三方调查显示,目前全球80%以上的电子产品散热及EMC设计工程师都在依靠本公司的FLOTHERM & Flo/EMC软件进行电子散热与电磁兼容性设计与分析…,客户包括大型跨国电气产品制造商、全球所有位于前十位的PC/工作站/大型计算机制造商、所有主要的电信交换设备和网络设备制造商、所有主要的半导体制造商以及申博申博及军事领域内最主要的供应商。
 
FLOMERICS公司在全球40几个国家和地区都有分支机构或分销商从事市场与技术支持,其中英国、美国、法国、德国、意大利、瑞典、中国、日本、韩国、新加坡、印度等地区都拥有全资分支机构,覆盖了全球所有主要的电子生产、研发地区。

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