0  引言

　　熱分析（thermal analysis，TA）是指用熱力學(xué)參數(shù)或物理參數(shù)隨溫度變化的關(guān)系進(jìn)行分析的方法。國際熱分析協(xié)會（International Confederation for Thermal Analysis，ICTA）于1977年將熱分析定義為：“熱分析是測量在程序控制溫度下，物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度依賴關(guān)系的一類技術(shù)?！备鶕?jù)測定的物理參數(shù)又分為多種方法。

　　常用的熱分析方法有：差（示）熱分析（DTA）、熱重量法（TG）、導(dǎo)數(shù)熱重量法（DTG）、差示掃描量熱法[1]（DSC）、熱機(jī)械分析（TMA）和動態(tài)熱機(jī)械分析（DMA）。此外還有：逸氣檢測（EGD）、逸氣分析（EGA）、 扭辮熱分析（TBA）、射氣熱分析、熱微粒分析、熱膨脹法、熱發(fā)聲法、熱光學(xué)法、熱電學(xué)法、熱磁學(xué)法、溫度滴定法、直接注入熱焓法等。測定尺寸或體積、聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)特性的有熱膨脹法、熱發(fā)聲法、熱傳聲法、熱光學(xué)法、熱電學(xué)法和熱磁學(xué)法等。

　　回顧我年富力強(qiáng)的工程時代，我在熱分析上從未花費太多時間，因為那時真的不需要，我還知道像我這樣的人并不是少數(shù)。但隨著半導(dǎo)體每單位面積的功耗（及相應(yīng)的發(fā)熱）越來越高，以及系統(tǒng)體積不斷縮小，越來越多未進(jìn)行熱分析的系統(tǒng)工程師發(fā)現(xiàn)自己身處困境。

　　“簡單解決方案”是指在設(shè)計周期中盡早實施熱分析。多早合適呢？晚應(yīng)在結(jié)構(gòu)圖設(shè)計階段后立即就進(jìn)行基本熱分析。工程師需擬采用器件的數(shù)據(jù)手冊并從熱的角度體驗一下未來將遇到的挑戰(zhàn)。

　　若該分析指出了潛在的問題，則工程師應(yīng)考慮采用一些熱分析模擬軟件甚至還可能需要與材料廠商合作以確定它是否能制造出與設(shè)計參數(shù)相適應(yīng)的一些東西。

1  筆記本電腦中的熱設(shè)計

　　索尼公司宣布對其2010年1月上市的VPCF11系列和VPCCW2系列VAIO個人電腦的部分機(jī)型進(jìn)行召回，并為顧客進(jìn)行升級。原因是用戶在使用一段時間后，可能會出現(xiàn)由于溫控管理系統(tǒng)問題而導(dǎo)致機(jī)器過熱的癥狀。在此之前，惠普也公布了其筆記本電腦電池組召回擴(kuò)展計劃，稱電池芯存在由于過熱起火或燙傷消費者的潛在隱患。

　　當(dāng)電腦感知到風(fēng)扇供電不正常時，系統(tǒng)立即停止運(yùn)行?；诘募僭O(shè)如下：一般的筆記本電腦用戶在裝有空調(diào)的房間內(nèi)不會打開機(jī)蓋，因此，CPU會經(jīng)歷致命的“熱失控”。

　　這是一個關(guān)于筆記本電腦制造商明確在沒有強(qiáng)制氣流流經(jīng)與CPU連接的散熱片時，CPU決不啟動的好例子。該設(shè)計按照這些要求進(jìn)行了工程處理，因為筆記本電腦設(shè)計人員知道，不正確的熱管理意味著危險即將到來。實際上，英特爾和AMD都非常嚴(yán)肅地對待這一問題。

　　“保持合適的熱環(huán)境是系統(tǒng)長期、可靠工作的關(guān)鍵。一個完善的熱方案包括器件和系統(tǒng)級熱管理功能，”該數(shù)據(jù)手冊寫道。

　　通常，散熱片被直接放置在器件上面。但技術(shù)將使熱量向其它方向流動?！艾F(xiàn)在，散熱片可能被放在器件下面，或者，也可能熱通過電路板本身消散掉了，”Paisner指出。

　　但熱管理不再如此簡單。一個典型的PCB包括內(nèi)置熱路徑，這使得系統(tǒng)設(shè)計師重新審視其設(shè)計策略。所有的器件都在縮小，現(xiàn)在，當(dāng)為一個較大的區(qū)域散熱時，是由幾個器件共同分擔(dān)冷卻職責(zé)。

　　從芯片角度來看，英特爾和AMD針對正確熱設(shè)計采取的預(yù)防性措施很有趣。首先，英特爾指出，“為把溫度限制在工作條件內(nèi)，處理器需要一個熱管理方案?！庇⑻貭柌捎脽?a target="_blank">二極管、數(shù)字熱傳感器（DTS）和Intel Thermal Monitor來監(jiān)測裸片溫度。

　　熱二極管可與熱傳感器一起用于計算硅溫度。DTS是集成一個裸片上的傳感器，它不停地監(jiān)測并輸出相對于熱結(jié)溫的裸片溫度數(shù)據(jù)。當(dāng)DTS中的一個特定位被置位時，將檢測到可導(dǎo)致災(zāi)難性后果的溫度條件。

　　當(dāng)硅片溫度達(dá)到，Intel Thermal Monitor通過啟動一個熱控制電路來幫助控制處理器溫度。

　　AMD采用的是一種類似的方法。該公司的“Thermal Design Guidelines”白皮書提供諸如散熱片的長度、寬度和高度等規(guī)范以及散熱片和風(fēng)扇材料要求等規(guī)范信息。

　　雖然由于CPU需消耗很多熱而成為一個重要的散熱目標(biāo)，但也不應(yīng)忽視其它系統(tǒng)部件。此時，一些簡單計算及一些基本熱管理理論將發(fā)揮作用。

　　回顧我年富力強(qiáng)的工程時代，我在熱分析上從未花費太多時間，因為那時真的不需要，我還知道像我這樣的人并不是少數(shù)。但隨著半導(dǎo)體每單位面積的功耗越來越高，以及系統(tǒng)體積不斷縮小，越來越多未進(jìn)行熱分析的系統(tǒng)工程師發(fā)現(xiàn)自己身處困境。

　　“許多過去由不同器件分擔(dān)的功能現(xiàn)在被整合進(jìn)一個器件內(nèi)?！盇nsys公司的產(chǎn)品經(jīng)理主管Dave Rosato表示。因此，現(xiàn)在SoC類型器件的熱密度要高得多。

　　“簡單解決方案”是指在設(shè)計周期中盡早實施熱分析。多早合適呢？晚應(yīng)在結(jié)構(gòu)圖設(shè)計階段后立即就進(jìn)行基本熱分析。

　　若該分析指出了潛在的問題，則工程師應(yīng)考慮采用一些熱分析模擬軟件甚至還可能需要與材料廠商合作以確定它是否能制造出與設(shè)計參數(shù)相適應(yīng)的一些東西。

2  把結(jié)點與散熱片連接在一起

　　熱管理把熱從半導(dǎo)體結(jié)擴(kuò)散到附近環(huán)境中。典型情況是，熱從半導(dǎo)體被傳導(dǎo)到封裝，然后再到熱擴(kuò)散器（散熱器），終到周邊環(huán)境。你的設(shè)計也許沒有散熱器，也即采用的是類似風(fēng)扇和管線等其它技術(shù)。

　　但一般理論是一樣的：把熱從一小區(qū)域擴(kuò)散向一個大區(qū)域。根據(jù)熱傳導(dǎo)的基本理論，材料的熱導(dǎo)率與熱流動的垂直區(qū)域和溫度梯度成比例。

　　結(jié)溫是半導(dǎo)體結(jié)的工作溫度（一般以℃表示），在這里產(chǎn)生的熱多。指定參考點（如結(jié)或殼體）的熱阻抗是每單位功耗（一般以Ｗ表示）高于一個外部參考點（如：因腳、殼體或環(huán)境溫度）的有效溫升（一般以℃表示）。

3  粗略計算

　　當(dāng)執(zhí)行一個正式熱分析時，目標(biāo)是提供理解熱是如何形成并如何在系統(tǒng)內(nèi)流動的完整把握。但在開發(fā)階段初期，一個簡單的大致估算也許就足夠了。

　　想法是，在上電后，對發(fā)熱情況有個大致把握。另一條規(guī)避無意間招致縮短平均無故障時間的途徑是使器件或系統(tǒng)過熱。

　　一旦進(jìn)行計算，就應(yīng)大致了解你所用熱管理方法所需的復(fù)雜程度。也即，是打算再增加一個散熱器還是需熱管的更新奇方案或其它一些采用熱擴(kuò)散、強(qiáng)制氣流甚至新材料的混合方案？即使借助簡單的類似增加熱過孔等手段就可滿足要求，未雨綢繆、防患未然也總比事后“付之一炬”好得多。

　　Paisner還連帶給出了一些指導(dǎo)數(shù)據(jù)?！皼Q定是否采取額外舉措的一個關(guān)鍵決定性因素是溫度，”她說。85℃以內(nèi)可接受，85℃到100℃可能也行、但要小心從事。但，在100℃以上，一般應(yīng)采取附加措施。當(dāng)然，除溫度外，你還應(yīng)考慮隨著系統(tǒng)條件的改變，溫度會如何隨之變化。

　　如何實現(xiàn)？“用每個器件在PCB可能工作的溫度下的功耗并除以表面積，然后對PCB的另一面重復(fù)該計算，”Blackmore說。然后，你必須找到熱阻抗（即：θJA）并乘以預(yù)期的功耗以確定高于環(huán)境溫度的溫升。

　　對給定設(shè)計來說，這些計算也許足夠了，特別是若系統(tǒng)框架有許多自由空間時更是如此。那么，何時需要額外的熱分析呢？

4  對布局和機(jī)架的考慮

　　必須盡早且經(jīng)常進(jìn)行熱分析。一些設(shè)計師甚至打算在申請前考慮該問題，因為若產(chǎn)品因熱問題而失敗，則問題出在哪里？但其它因素影響系統(tǒng)設(shè)計。

　　“系統(tǒng)工程師必須理解材料與各自封裝尺寸和種類間的互動有多么不同，”Paisner說?！邦愃芁ord等公司與客戶一道研發(fā)新材料來滿足熱要求?！?/P>

　　Paisner以蘋果的Mac Air筆記本電腦為例說明產(chǎn)品遇到的嚴(yán)峻設(shè)計挑戰(zhàn)，類似的這種設(shè)計不太可能有充足空間安放大散熱器或其它冷卻技術(shù)。這樣，除非你打算不惜血本采用新奇的熱方案，否則極小的空間限制將是很棘手的障礙。

　　從布局角度，應(yīng)充分關(guān)注堆疊裸片和堆疊芯片封裝器件，因更高的器件一般會妨礙熱通路。另外，可直接焊裝在PCB（器件和PCB間沒有任何氣隙）上的器件可把PCB作為散熱器。另外，還可設(shè)計進(jìn)熱過孔，但一般情況是你應(yīng)了解應(yīng)在布局前想好把它們放在哪里。

　　Blackmore介紹，布局中一個值得仿效的作法是努力使任何冷空氣的“風(fēng)頭”吹過發(fā)熱多的器件。把器件散布以避免給下游產(chǎn)生熱氣流同樣是明智之舉。，“高的器件和連接器可能形成影響氣流向下流通的氣阻，”他說。因此，對任何高的器件和連接器都應(yīng)特別對待、進(jìn)一步分析。

5  無用的輸入輸出

　　別為你用的器件集假定功耗。在計算階段，值對你大致把握設(shè)計基本情況有用。但你必須堅持采用更真實的數(shù)據(jù)，否則，設(shè)計有可能變得過工程化、增加不必要的重量和成本。

　　若你采用了FPGA，則要弄清，其內(nèi)部邏輯是否在所有時間都工作在速度？很可能不是這樣的，所以，請邏輯工程師就更現(xiàn)實的工作情況給你一個合理的估算。然后，該你來決定是否需增加一個修正因數(shù)（fudge factor）。

　　記住：FPGA制造商的工程團(tuán)隊、測試團(tuán)隊和銷售/營銷部門也許已經(jīng)把三個不同層次的修正因數(shù)內(nèi)置其中。若你能得到實際使用數(shù)據(jù)并為此添加些修正，則以后將順手得多。

　　仿真工具還可包含系統(tǒng)封裝、詳盡的器件設(shè)計參數(shù)等信息?！胺抡婀ぞ呖深A(yù)測工作溫度來評判是否有可能超過標(biāo)稱結(jié)溫度以及在哪里系統(tǒng)會出現(xiàn)‘阻滯空氣’”Rosato說。也可采用交互式仿真方法，其中，工程師可演練各種熱管理情況、添加散熱器、若需要則返回仿真結(jié)果。

　　類似PCB外形和大小以及諸如金屬層信息等相關(guān)的PCB建構(gòu)數(shù)據(jù)等參數(shù)也被讀進(jìn)，Blackmore說。流程的剩余部分涉及系統(tǒng)工程師描述系統(tǒng)將運(yùn)行其中的環(huán)境，包括：框架、通風(fēng)孔、電源和其它器件等信息。然后，將全部信息組合在一起提供一個熱仿真。

6  未來發(fā)展

　　現(xiàn)在，你了解了熱分析的基本原則和重要性以及行之有效的熱管理技術(shù)。但即使考慮了全部其它防范措施，當(dāng)設(shè)計接近或超過其中一些極限（如：1.5 W/in.2）時會出現(xiàn)怎樣的情況？

　　圖2：Nextreme OptoCooler模塊可用于為TO-56封裝的激光二極管制冷。

　　你大概了解散熱器、風(fēng)扇、集成了風(fēng)扇的散熱器等技術(shù)間的長短取舍。但對更先進(jìn)的方案又了解多少？許多公司提供熱產(chǎn)品和方案。

　　“傳統(tǒng)方案業(yè)已過氣，所以需要增加其它功能來拓展性能范圍，”Nextreme的CTO Seri Lee說。例如，熱管具有固態(tài)制冷所以應(yīng)比單獨的散熱器和風(fēng)扇先進(jìn)，雖然熱管既大且笨還貴又常常需要定制。

圖3 熱仿真工具

　　Nextreme有幾項芯片級創(chuàng)新，它采用比典型方案薄和小10到20倍、但排熱能力卻高10到15倍的技術(shù)主動把熱排出（圖2）。Bergquist制造幾種不同的熱材料和熱基板。Ansys也提供熱仿真工具（圖3）。