从基本原理着手降低元件温度
? 便携式产品的小型化、高速化和低成本的需求趋势似乎永无至境。由于芯片的封装越来越小,设计人员总是面临新的挑战。许多场合下,为了达到各种电性能,元件在印制板上的间距变得越来越小,这会导致在一很小区域内功率或热的集中,从而使元件温度过高,超出系统所能正常工作的要求。
? 一般采用诸如风扇、定制的散热器及热管等加速冷却措施,然而这些方法会.增加系统的复杂性,使系统的成本增加,因而实用性也并不是很好。
? 那么设计人员又该做些什么呢？首先,为有效地解决散热问题,应尽早地仔细考虑印制板的热设计以及元件之间的相互作用等方面将精力集中到冷却问题的核心。
? 在印制板设计之初,对于不同元件的功耗要有一个透彻的了解,对不同的功率水平要选择相应的封装形式,同时还要充分利用封装的散热特性。预先考虑到这些问题,能使设计工作事半功倍,减少印制板上过热区的出现。
? 为指导设计人员进行更加有效的设计,本文首先回顾一下基本的热学方面的概念。
热阻
? 通常用热阻来表征一个已封装好的器件的热性能,其符号为希腊字母θ。对于一个半导体元件,热阻表示了在稳态时从芯片表面每耗散一瓦功率（热）时,芯片结点与参考点之间的温度之差,单位为℃/W。
? 常用到的热阻有θja(结到环境)、θjc(结到封盖)和θjb(结到印制板)等。Θja通常用于自然或强制对流的风冷系统中。在这些系统里,元件是安装在环氧玻璃型印制板上的。Θjc常用在高导热的封盖式封装中,封盖上安装了散热器。Θjb使用的场合是当靠近封装外引线的印制板温度能比较精确控制时。本文着重讨论θja,因为在便携式产品中多数是这种对流冷却的印制板系统。
? 元件制造商通常是从实验室测得的数据或计算机模拟的结果来决定θja值。这些数据包括芯片的结温（Tj）,环境空气的温度（Ta）--它和封装表面的温度近似相等,以及所耗散的功率(Pd)。有了这些数据,θja可按下式计算出来：
θja = (Tj-Ta)/Pd, 单位℃/W
一个系统级的最终用户,从给定的θja值（例如从产品数据手册中查到的）,按照下式估算出芯片的结温：
Tj = Ta + (θja×Pd), 单位℃
? 从上式可以看出,要降低结温可以从降低θja、Pd或Ta着手。也许降低Tj最稳妥的方法是进行有效的器件设计,使得耗散功率Pd降低,这就从根本上减少了器件耗散的热量。另一种降低θja的方法是采用强制气冷措施,这种方法和被动式的自然对流和辐射冷却方法相比,主要是增加了系统的对流系数,从而提高了系统的散热能力。在给定了功率、Ta和气流大小的情况下,唯一能够降低Tj的途径,是选择合理的封装和进行优化的印制板设计,只有这样才能使θja降低到最小值。
测试方法和测试板
? 采用标准化的测试方法,能有助于比较不同器件相对的热特性。如果在标准化测试中,一个元件或一种封装形式所表现出来的特性比另一种要好,那么在同样设计的实际系统中,它就有可能会有同样较佳的表现。
? 标准化的试验方法方便了元件的制造,同时也为设计时选择合理的封装提供了依据。然而在实际系统中采用供应商提供的这些“硬”数据时,尤其要注意的一点是这些数据是在特定的测试条件下测得的。这就要求板/系统设计人员必须了解这些数据是如何获得的,诸如测试时所用的方法和测试板的状况以及它们与所设计的实际系统之间有什么差别,同时还要考虑板上其它功耗元件产生的影响等等。
? 许多公司采用JEDEC EIA/JESD51-X 系列标准。这种标准定义了测试方法、条件以及印制板设计的标准。有关这个标准可从 主页上点击 "Design Support/Packaging Information" (设计支持/封装信息)得到。
