熱分析是材料科學的一個分支，它研究作為溫度函數的材料特性。所有集成電路在承受電壓時都會產生熱量。因此，為了將器件的結溫保持在最大允許值以下，應提供對通過封裝的熱流的估計。

介紹

在封裝選擇過程中，熱管理是必不可少的，以確保產品的高可靠性。良好的熱評估需要結合分析計算、經驗分析和熱建模。問題是確定特定集成電路在高溫下是否可靠。不遵循特定的分析方法，就不可能提供可靠的答案。在 DC 模式操作中，一些參數起作用，例如熱阻 (θ _JA ) 和結溫 (θ _JC）。熱阻是熱導的倒數，測量物體或材料抵抗熱流的溫度差。另一方面，結溫是雙極晶體管、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 調制的 MOSFET 驅動的情況下，有必要定義瞬態熱數據。我們應該回答的問題是：在遇到熱問題之前，芯片可以在某個功率水平下運行多久？在接下來的段落中，我們將嘗試做的是確定與功耗相關的熱方程，以便可以將芯片的結溫預測為時間的函數。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 很容易模擬），代表 IC 的瞬態熱特性。

熱力學

溫度和時間之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。第一個可以表示如下：

其中 T _B是體溫，T _A是環境溫度，K _A是比例常數。相反，第二個由以下關系給出：

其中 P 是施加到物體上的功率，m 是質量，c 是比容量。牛頓定律指出，身體熱量損失的速度與身體與環境之間的溫度差成正比。另一方面，能量守恒定律表明能量不能被創造或消失，而只能從一種形式改變為另一種形式或從一個物體轉移到另一個物體。結合前面提到的方程，我們得到了本文下一部分所需的公式：

如上所述，熱阻是要分析的第一個因素：它可以很容易地在 IC 數據表中找到。計算應在熱平衡條件下進行，即：

我們現在可以使用以下關系計算功率：

在哪里：

該參數是物體與外界環境之間的熱阻。

熱模型

此時，應定義物理數學模型，以便應用上述方程。圖 1 顯示了安裝在 PCB 上的芯片的示意圖：涉及不同的材料，包括環氧樹脂、芯片和封裝。我們將要分析的模型基于熱流方向：熱量從外部源流向模具（當主要熱源為外部時）和熱從模具流向環境（當主要熱源為外部時）死）。

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) 。無需過多贅述，我們將得到的方程如下：

當熱源為外部時，前面的公式可用于估算芯片溫度（在封裝和管芯層面）。一個例子是靠近大電流芯片的 MOSFET，它會散發大量熱量。 我們現在可以考慮另一種情況，其中物體在管芯上產生熱量并通過環氧樹脂和封裝在環境中散發熱量. 為了解決這個系統，有必要定義所有三個物體的微分方程：

其中 T _Bi （i = 1、2 和 3）是主體（芯片、環氧樹脂和封裝）的瞬時溫度。術語 P 表示從一個物體傳輸到另一個物體的功率（例如，P ₁₂是從物體 1 傳輸到物體 2 的功率），而 P _G是源功率。考慮單體的冪P的表達式并應用拉普拉斯變換，我們得到每個體的以下三個微分方程：

而以下公式給出了模具的溫度：

其中T_我變量是積分常數，米_我 系數是k的函數_我和θ _IJ是從本體的熱阻i到身體?。要求解上述方程，我們需要知道所有參數。為了避免繁瑣的計算，我們可以嘗試將模型實現為一個簡單的RC網絡，這樣我們就可以使用電路分析軟件（Spice）通過確定相關參數來求解微分方程。

主要思想是使用無源 RC 電路對上一段中獲得的微分方程進行建模，以模擬管芯上產生的功率。如圖 2 所示，電容器上的電壓代表管芯 (C ₁ )、環氧樹脂 (C ₂ ) 和封裝 (C ₃ )的初始溫度。V _A表示環境溫度，而 I _S（進入電容器 C ₁的電流）是管芯上產生的功率。替換V _C1和T _B1，V _C2和T _B2，V _C3和T _B3和我_小號以P _?，我們得到以下微分方程：

電容器上的電壓直接對應于芯片各部分的溫度。

模具溫度測量

可以使用不同的技術進行芯片溫度測量。其中之一利用了 ESD 二極管的正向壓降。為確保測量精度水平在允許范圍內，所選的 ESD 二極管不應具有大的寄生電阻。此外，建議將二極管放置在非常靠近芯片最熱點的位置。如果您選擇使用FET的 R _ds (on) 作為溫度指示器進行操作，您必須確保 FET 在測量點處于壓降模式。R _ds (on)，即導通電阻，表示晶體管處于導通狀態時的內阻（V _GS= 0）。ESD二極管連接在芯片引腳和電源電壓之間，直接極化。由于我們通過測量獲得二極管上的電壓，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網絡測量

MAX16828/MAX16815 LED 驅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，只需要幾個外部組件。MAX16828 提供約 200 mA 的最大 LED 電流。這兩種驅動器都用于汽車應用，例如側燈、外部燈、背光和指示燈。為了獲得芯片溫度的直接指示，測量連接在 DIM 和 IN 引腳之間的內部 ESD 二極管的直流電壓。吸收電流約100μA，產生約2mV/K的電壓變化。圖 3 顯示了一個可行的電路配置。

圖 3 的配置確保讀取和估計溫度的誤差約為 ± 10 mV。到計算K_甲和θ _JA芯片應使用熱風槍進行加熱。可以通過測量二極管電壓來監控芯片溫度。

結論

使用全芯片熱模型分析芯片溫度對于發現和避免潛在的熱風險非常重要。使用 Maxim 驅動程序獲得的實驗結果很好地表明了該模型。可以使用 Spice 輕松模擬 RC 網絡，以便輕松指示 IC 的瞬態溫度。該模型適用于任何芯片，并允許定義操作模式以避免過熱。