介紹

　　熱管理在封裝選擇過程中至關重要，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，一些參數如熱阻 (θ JA ) 和結溫 (θ JC)。作為熱導倒數的熱阻測量物體或材料抵抗熱流的溫差。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：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 輕松模擬)，代表 IC 的瞬態熱特性。

　　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是環境溫度，K A是比例常數。

　　其中 P 是施加于身體的功率，m 是質量，c 是比容量。牛頓定律指出，身體熱量損失的速率與身體和環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造或毀滅，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。如上所述，熱阻是要分析的第一個因素：它可以在 IC 數據表中輕松找到。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，它會散發大量熱量。我們現在可以考慮另一種情況，在這種情況下，主體在芯片上產生熱量并通過環氧樹脂和封裝將熱量散發到環境中. 為了求解這個系統，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、環氧樹脂和封裝)的瞬時溫度。術語 P 表示從一個物體轉移到另一個物體的功率(例如，P 12 是從物體 1 轉移到物體 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，m i 系數是 k i的函數， 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。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，以便使用電路分析軟件 (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，以模擬芯片上產生的功率。電容器上的電壓代表芯片 (C 1 )、環氧樹脂 (C 2 ) 和封裝 (C 3 ) 的初始溫度。V A代表環境溫度，而 I S(進入電容器 C 1的電流)是芯片上產生的功率。 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，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，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時的內阻(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，只需要幾個外部元件。MAX16828 提供約 200 mA 的最大 LED 電流。這兩款驅動器都用于汽車應用，例如側燈、外部燈、背光和指示燈。為了獲得裸片溫度的直接指示，測量連接在 DIM 和 IN 引腳之間的內部 ESD 二極管的直流電壓。吸收電流約為100μA，產生約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。可以通過測量二極管電壓來監測管芯溫度。

　　結論

　　使用全芯片熱模型分析裸片溫度對于發現和避免潛在的熱風險非常重要。使用 Maxim 驅動器獲得的實驗結果很好地表明了該模型。使用 Spice 可以輕松模擬 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。