保持太空芯片涼爽可靠

2021-10-20

保持太空芯片涼爽可靠

隨著 COTS 和航天級半導體越來越多地以更快的速度切換更多電路，設計人員面臨的一個關鍵挑戰是通過防止設備過熱來確保其安全可靠的運行。允許的最大結溫保持不變，如果在任何時間長度內超過其絕對限值，例如金屬遷移、柵極氧化層失效和參數性能變化，部件就會損壞。溫度升高還會導致封裝內不同材料之間或與 PCB 之間的熱膨脹不匹配，從而導致界面應力和翹曲。

我最近與一家著名的 FPGA 供應商進行了交談，他最新的高端設備消耗 100 W。如果將等效額定燈泡的表面積與芯片的表面積進行比較，則燈泡的熱通量密度比IC小13倍左右！這太驚人了，我敢肯定您不會想要觸摸 100 W 的熱燈泡！半導體的可靠性和壽命與結溫成反比，從微芯片通過封裝到周圍環境的有效散熱對于優化設備和系統性能至關重要。摩托羅拉先前估計，當溫度高于 100°C 時，每升高 10°C，半導體的工作壽命就會減少一半——這是溫度函數的指數下降！

隨著小型衛星以具有更高熱阻的低成本塑料封裝 IC 為基準，并且隨著 PCB 變得更加集成，使用低阻抗 PDN 將低電壓、高電流負載定位在其穩壓器旁邊，物理空間更小，通常沒有可用于將外部散熱器連接到熱組件的財務預算?？紤]到航空電子設備制造商的入軌時間壓力，了解如何保持半導體冷卻將確保您的設計一次成功，并在任務的預期生命周期內可靠運行。

通常，塑料封裝的 QFP 半導體中產生的大約 80% 的熱量是通過其引腳傳導而去除的，金屬引線框架將器件內產生的熱量傳遞出去（圖 1）。通常，剩余的 20% 會被對流帶走，但是，在空間真空中，這不是一個選擇。隨著結變熱，它們變得不那么可靠并且更容易受到長期熱加速故障的影響。零件的成功設計依賴于使它們保持涼爽，以便它們在安全操作范圍內發揮作用。

圖 1標準塑料封裝的冷卻。

傳導和輻射是在軌用于從半導體中去除熱量的技術，在這篇文章中，我想重點介紹將 PCB 重新用作帶有裸露焊盤的含鉛或 QFN 芯片的散熱器。這通常接地并焊接到 PCB 上的相應焊盤，該焊盤使用熱通孔電連接到堆棧內的一個或多個接地或電源層，以增加用于冷卻的有效表面積。

這種散熱方法利用了高導熱性，并且帶有焊盤的器件在結和外殼之間具有低得多的熱阻，即? JC，以允許熱量從封裝底部傳導，然后使用銅平面在封裝內橫向擴散PCB 堆棧（圖 2）。如果過孔是通孔，則輻射可以進一步從器件和電路板帶走熱量，但要實現這一點，PCB 的另一側必須“看到”較低的環境溫度，例如冷面。外部散熱器也可以連接到電路板的這一側。

圖 2外露式塑料封裝的冷卻。

當從熱結點到冷結點存在溫差時，熱量會流動，并且熱阻最低的路徑將吸收最多。類似于歐姆定律的簡化電阻模型通常用于關聯散熱、溫升和熱阻（圖 3）。這可用于估計 PCB 面積、散熱孔、銅厚度和外部散熱對結溫和可靠性的影響。

電阻電路將電荷、電流、電位和歐姆電阻的電量分別建模為熱量、功率、溫度和熱阻抗，如下所示。熱量從半導體結流經其外殼/封裝，然后進入散熱器、PCB 平面、外部或兩者。您只需將功耗乘以所有單個熱阻的總和即可計算高于環境的溫升，即T J = P DISS * (θ JC  + θ CS  + θ SA ) + T A。

圖 3等效熱回路。

θ 定義了從一種結構轉移到另一種結構時遇到的電阻熱，例如，從結到外殼，θ JC。這以每單位熱流的溫差 (°C/W) 表示，并取決于芯片厚度、表面積和封裝材料的熱導率。例如，對于具有100 °C/W的結到空氣熱阻 θ JA的器件，每消耗一瓦的功率，芯片和環境之間的溫度就會升高 100°C。θ JA主要用于對同一環境中使用的不同封裝進行評級，不應用于預測空間電子元件的熱性能。

當重新使用 PCB 的接地層來冷卻半導體時，由于大部分熱量是通過裸露焊盤傳遞到 PCB 的，因此最關鍵的值是 PCB 的熱阻，? CS。我們需要確定我們的電路板尺寸，即平面表面積，并設計我們的堆棧，即用于散熱的平面數量、它們的銅厚度以及是否使用散熱孔，以達到所需的 ? CS以實現可靠的結溫（圖 4）。

圖 4典型 PCB的擴展熱阻模型。

大致來說，溫升與功耗成正比，與表面積成反比。冷卻和維持模具在目標溫度所需的總面積可以近似為：

此時的一個關鍵問題是需要多大的板（平面）面積來傳導被測設備的熱量，以使其在安全結溫下可靠運行。滿足目標 ? CS所需的最小 PCB 尺寸可以使用以下公式近似計算：  

圖 5顯示，PCB 的總熱阻可以通過將所有單獨層的熱阻相加來計算，每個層的熱阻使用其厚度、橫截面積和材料熱導率K進行估算，例如， K = 355 W/ mK 用于銅，0.25 用于 FR4，58 用于 SnAgCu，無鉛焊料和 0.21 用于阻焊層：

圖 5四層一平方英寸 PCB  的熱阻。

使用熱通孔、更厚的銅和基板的垂直熱阻可以降低總 ? CS：開放通孔比填充通孔具有更高的熱阻，因為垂直于熱源的面積減少了。多個通孔增加了表面積，降低了它們的總熱阻，然后與介電層的熱阻平行，以計算出較低的等效值：

在制造過程中增加鍍層厚度可以提高通孔的熱導率。您還需要確保您的平面尺寸適合承載所需的負載電流，并且相關的溫升已在預算內并符合 PCB 材料的要求。從圖3中，Ts變成了板子的溫度！

您應該使用多少平面層來散熱？什么厚度和覆蓋率？您如何知道是否需要散熱孔？多少，什么直徑和間距？銅填充還是空的？PCB 的另一側是否也需要外部散熱器？執行上述分析以降低整體熱阻 ? CS，一旦結溫升高滿足您的可靠性需求，您就大功告成了！在某些時候，如果增加更多的散熱片會增加復雜性和成本，而實際上并沒有促進冷卻，那么您將達到收益遞減點。

一些器件（例如線性穩壓器）提供不同的封裝類型和尺寸，每種封裝類型和尺寸都有自己的熱導率和額定電流（圖 6和7）。如下所示，最小的將具有更高的熱阻，從而導致結溫升高。對于一位客戶，我不得不將 PFM 部件更換為更大的 TO 外殼，因為前者過熱，由于其熱斷路器，它只能間歇性地運行。

圖 6 LM117 相對封裝尺寸和負載電流額定值的比較。

圖 7封裝的散熱和面積比較。

CGA/BGA 器件通常包含專用的熱柱/球，以使用通孔為 PCB 堆棧內的接地層提供散熱路徑。在電氣方面，這種低阻抗返回也有助于抗噪性和EMC設計。對于 CGA/BGA 封裝，θ JC定義為從結到外殼頂部的熱阻抗。塑料和陶瓷封裝的航天級半導體的典型值范圍為 0.15 至 22 °C/W。這些值支持連接外部散熱器以確保設備結溫保持在其安全工作區域內。

散熱器將熱量從熱接點傳導出去，材料的選擇（例如鋁或銅）、翅片設計和表面處理都會影響其冷卻性能。表面積越大，封裝和散熱器之間的熱阻值 θ CS越低，向環境或冷面的熱傳遞越好。

熱半導體和環境之間的總熱阻是所有單個電阻的總和，例如，結和外殼之間的熱阻θ JC、封裝和散熱器之間的熱阻 θ CS以及后者和周圍空氣之間的熱阻θ SA，即θ = θ JC  + θ CS  + θ SA。這些值中的每一個都可以從制造商的數據表中輕松獲得。要指定散熱器的尺寸，上面的簡化的穩態傳熱模型可以重寫為：θ = ΔT / P D，這給出了我們的設計在不過熱的情況下可以承受的芯片和環境之間的最大熱阻值。例如，如果器件功耗為 10W，結溫為 125°C，環境溫度為 25°C，則熱阻最大值為 (125-25)/10 = 10°C/W。在實踐中，通常使用T J的降額值，例如100°C。如果 θ JC為 2.5°C/W 且 θ CS為 0.5°C/W，則散熱器與周圍空氣之間所需的熱阻抗 θ SA必須小于 10 – 2.5 – 0.5 = 7°C/ W. 這是指定散熱器的方法，下一步是選擇一個在物理上適合您的子系統，當然還有預算！

一些航天級 CGA/BGA 包含一個內部銅塊（或蓋子），用于將熱量從芯片擴散到周邊和 PCB，如下所示（圖 8）：

圖 8航天級塑料和陶瓷 CGA/BGA 封裝。

之前，一位客戶聯系了我，他設計了一個 CGA 封裝的昂貴的太空級 FPGA，并在硬件測試期間發現該設備過熱。雖然我們能夠就如何為器件供電和使用以降低其整體耗散提出許多建議，例如分別使用較低的內核電壓和較少消耗的 I/O，但在航空電子設備的調試。制造前的熱分析、功率預測電子表格和 HDL 模擬會警告我們的客戶即將出現的可靠性問題。這些表明需要使用外部、物理和/或平面 PCB 散熱器來去除結中的多余熱量，以確保 IC 的安全運行。

半導體散熱器熱阻的概念是一種近似值：它不考慮器件上的非均勻分布，僅對處于熱平衡狀態的系統進行建模，即不考慮溫度隨時間的變化，也不考慮它反映了輻射和對流相對于溫升的非線性。但是，制造商指定了散熱器和半導體的典型熱阻值，這簡化了他們的選擇。