產(chǎn)品失效的很大一部分原因就是器件過溫，現(xiàn)在產(chǎn)品使用的芯片功率動(dòng)則幾十瓦，上百瓦。一不小心就不知道在哪里會(huì)翻船。

我們知道在地球上搞熱設(shè)計(jì)的方式就是將芯片的熱量傳遞到空氣中，從根本上來講就是要使得芯片的溫度在期望的值以內(nèi)。如果用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式來描述這一過程就是：

從這個(gè)式子來看，似乎只需要簡(jiǎn)單的計(jì)算就可以得到芯片的結(jié)溫了。但是到了實(shí)際應(yīng)用中這個(gè)式子中的每個(gè)變量存在不確定性。

芯片內(nèi)部的復(fù)雜性

首先，我們看看。對(duì)于大功率的芯片，它會(huì)提供一個(gè)或多個(gè)溫度指示芯片的溫度。

芯片內(nèi)部可能包含多個(gè)發(fā)熱區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的發(fā)熱量是不一樣的，也可能在不同的工作情況下，各區(qū)域的熱耗是動(dòng)態(tài)變化的。

另外，現(xiàn)在封裝的集成度越來越高，芯片可能包含不同的功能區(qū)域，如 system-on-chip (SoC)或 system-in-chip (SiP)，將 CPU，DDR，外圍被動(dòng)器件等集成到一個(gè)封裝內(nèi)部。從外部看芯片似乎是一個(gè)方方正正，平平整整的，可是內(nèi)部卻高低不一，熱耗也各不相同。

所以這里就有個(gè)問題，我們說的結(jié)溫可能不是某一個(gè)固定區(qū)域的溫度，也許是幾個(gè)區(qū)域溫度的最大值，或者某幾個(gè)最大值的平均值。

而且這些溫度值它是變化的，有可能在某個(gè)工作條件下，它是 A 區(qū)溫度最高，在另外的工作條件下 B 區(qū)域的溫度最高。

另外還有一個(gè)問題就是探測(cè)到溫度的精度和準(zhǔn)確度的問題。我們都知道精度是指的它的一致性，準(zhǔn)確度是指它和絕對(duì)值的相對(duì)誤差小。

芯片內(nèi)置的溫度傳感器通常是基于二極管或其他半導(dǎo)體器件的溫度特性來工作的。例如，二極管在工作時(shí)具有一個(gè)特性——它的正向電壓（）與溫度 T 之間的關(guān)系大致是線性的。通常，二極管的正向電壓在 25°C 時(shí)約為 0.7V，而隨著溫度的升高，正向電壓會(huì)逐漸降低，約為-2mV/°C。所以使用二極管測(cè)量溫度的過程如下：

將二極管與電流源串聯(lián)，使用微小的電流（例如 1mA）通過二極管。然后測(cè)量二極管的正向電壓（V_f）。根據(jù)二極管正向電壓的變化，通過查找二極管的溫度-電壓關(guān)系或者使用已知的公式計(jì)算出溫度。

其中， 是溫度 時(shí)的正向電壓， 是參考溫度 時(shí)的電壓， 是一個(gè)溫度系數(shù)，通常為 -2 mV/°C。

雖然二極管體積小，可以方便地集成在芯片內(nèi)部。但是，二極管的正向電壓受電流和材料特性影響較大，因此需要對(duì)電流進(jìn)行精確控制。另外，二極管的溫度-電壓線性關(guān)系并不是完美的線性，需要在不同溫度下校準(zhǔn)。

我們往往發(fā)現(xiàn)芯片提供的溫度值的一致性也不是很好。就是我們?cè)谙嗤臈l件下，相對(duì)比較短的時(shí)間內(nèi)讀 10 次溫度值，得到的讀數(shù)可能有 2~3°C 是上下波動(dòng)。那么芯片廠家可能會(huì)做一些平滑或者濾波，在軟件層面對(duì)它進(jìn)行一次過濾。

另外一個(gè)方面，就是不同的芯片，它讀出來的溫度值也不盡相同，也就是一致性不好。

對(duì)于溫度的絕對(duì)值的問題，那么可能他的偏差就更大了。例如，它顯示的 100°C，但實(shí)際上它跟 100°C 的差距有多大，我們甚至是無從驗(yàn)證的。

這里已經(jīng)講了結(jié)溫的不準(zhǔn)確性和不確定性，了解了芯片溫度讀數(shù)的復(fù)雜性。我們同時(shí)說一下另外一個(gè)問題，就是芯片內(nèi)部到它的殼之間的散熱途徑的復(fù)雜性。

對(duì)于有殼封裝的芯片，通常它會(huì)在 Die 和 Lid 之間涂一層散熱材料，也就是散熱界面材料(TIM)。這層材料非常關(guān)鍵，各個(gè)玩家都有不同的材料，有的用 PCM，有的用 Grease，有的用液態(tài)金屬。

TIM 材料的性能受溫度變化的影響很大。在溫度高低溫循環(huán)的時(shí)候，芯片各材料之間的熱膨脹系數(shù)不一樣，導(dǎo)致芯片內(nèi)部出現(xiàn)微觀變形，使得這一層散熱層之間不斷地產(chǎn)生累積變化。可能界面材料會(huì)逐漸出現(xiàn)空洞、裂紋、擠出，甚至出現(xiàn)縫隙等失效。這樣會(huì)導(dǎo)致芯片的溫度隨時(shí)間緩慢上升。

環(huán)境的復(fù)雜性

到這里我們已經(jīng)講了，芯片內(nèi)部的不確定性，那么我們?cè)賮砜纯茨莻€(gè)公式中的環(huán)境溫度。

這里我們說的是環(huán)境溫度，但有時(shí)候環(huán)境產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境是不確定的。例如，有些產(chǎn)品是使用在戶外，我們沒法完全控制室外的溫度，在有些地區(qū)到夏天最高到 45°C，甚至 50°C 以上，都是有可能的。對(duì)自然散熱產(chǎn)品來說，風(fēng)和太陽的影響是不可忽略的。

即使是室內(nèi)的消費(fèi)電子，可能他的安裝方式也會(huì)受到影響。例如，我們無法控制客戶，將一臺(tái)電視機(jī)安裝在通風(fēng)良好的位置。有的家庭為了美觀可能將電視機(jī)嵌到墻壁，使得外面看起來電視跟墻面是一個(gè)平面，這樣是好看，但是電視機(jī)的上下散熱途徑基本上被堵死。所以環(huán)境也是很大的變量。

散熱途徑的復(fù)雜性

我們?cè)賮砜匆豢?，芯?到空氣的熱阻。這里簡(jiǎn)單地將結(jié)到空氣間熱阻籠統(tǒng)地稱為一個(gè)熱阻 ，但是實(shí)際上這個(gè)鏈條中的環(huán)節(jié)非常多，不確定性也很多。前面我們介紹了從芯片的 Die 到殼就有很大的不確定性，那么從芯片的殼兒再到我們的空氣，也有很長的一個(gè)散熱鏈條。

首先我們要將芯片的殼貼到我們的散熱腔體上，然后散熱器將熱量散發(fā)到空氣中。有的時(shí)候可能還要穿過 PCB，然后將 PCB 貼到散熱器，再到空氣。在這個(gè)散熱鏈條上那些非固定接觸的地方我們都要使用散熱界面材料填充縫隙或者是不平面度和粗糙度。

界面材料的長期可靠性顯得尤為重要。很多廠家都在賣界面材料。但是如果我們的產(chǎn)品經(jīng)過了高低溫循環(huán)，高溫老化，冷熱沖擊，振動(dòng)測(cè)試等一系列的環(huán)境老化測(cè)試之后，這些界面材料的性能是否還能夠穩(wěn)定，就顯得尤為重要。只要散熱材料填充的不好，會(huì)使得期間的散熱途徑出現(xiàn)斷層，器件的溫度會(huì)顯著升高。

功率的不確定性

那么最后一個(gè)方面就是這個(gè)散熱功耗。我們?cè)谧鰺嵩O(shè)計(jì)初期，功率的輸入都是基于理論計(jì)算，或者各模塊部分的測(cè)試結(jié)果。總的熱功耗值可能跟最后實(shí)際測(cè)試的值相差比較大，也許會(huì)有 20%到 50%的差別,這樣會(huì)對(duì)產(chǎn)品最終的溫度估計(jì)產(chǎn)生很大的偏差。

另外一個(gè)方面就是產(chǎn)品在不同的工作條件下，或者不同的軟件配置情況下，功耗也不盡相同。所以我們可能還要考慮不同的環(huán)境條件和不同的功耗組合。這樣就使得我們要評(píng)估的場(chǎng)景非常多。

期望與實(shí)際的差距

往往我們的項(xiàng)目開發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)熱設(shè)計(jì)的期望值非常高，因?yàn)榇蠹耶a(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)激烈，可能要求這個(gè)仿真的準(zhǔn)確度達(dá)到2~3°C以內(nèi)。但是實(shí)際上每一個(gè)因素的影響，可能都有4~5°C。

所以如果我們?cè)跊]有足夠的測(cè)試數(shù)據(jù)的情況下，想要得到一個(gè)非常準(zhǔn)確的溫度預(yù)測(cè)結(jié)果，幾乎是很難的。如果說預(yù)測(cè)得很準(zhǔn)，那只能說運(yùn)氣很好。

還有一點(diǎn)就是做產(chǎn)品和做研究不一樣。做研究的可能是為了發(fā)表文章，要求的是創(chuàng)新性和獨(dú)特性，通常只要證明這個(gè)東西跟其他的方案，或者實(shí)現(xiàn)方式，或者結(jié)果不一樣就可以了。往往不用考慮可靠性，可制造性，生產(chǎn)成本等等因素。做產(chǎn)品，一方面要使他的成本盡可能的低，而且要非?？煽浚诟鞣N環(huán)境下能夠保持穩(wěn)定的性能。所以對(duì)我們做產(chǎn)品來講，往往是越簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)越好。

總結(jié)

所以這一篇文章從溫度測(cè)量，功率，散熱途徑幾個(gè)方面簡(jiǎn)單地介紹了一下熱設(shè)計(jì)不確定性的來源。

總之要做好產(chǎn)品，熱設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，但是確實(shí)很難控制。這里總結(jié)幾條建議：

●設(shè)計(jì)初期，盡可能隨著設(shè)計(jì)的不斷完善，逐步開展測(cè)試，隨時(shí)修正仿真結(jié)果。

●一個(gè)產(chǎn)品有完整的測(cè)試結(jié)果后，可以給后面類似的產(chǎn)品提供很好的設(shè)計(jì)參考，提高仿真的準(zhǔn)確度。

●還需關(guān)注生產(chǎn)出貨的批量結(jié)果，不僅僅是幾臺(tái)樣機(jī)的熱測(cè)試結(jié)果。

●可靠性，一致性比準(zhǔn)確性更重要。當(dāng)然有些公司不一定這樣，反正做的產(chǎn)品三年質(zhì)保期一過就壞:)

免責(zé)申明：本文內(nèi)容轉(zhuǎn)自：微信公眾號(hào)“米克網(wǎng)”。文字、素材、圖片版權(quán)等內(nèi)容屬于原作者，本站轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅供大家分享學(xué)習(xí)。如果侵害了原著作人的合法權(quán)益，請(qǐng)及時(shí)與我們聯(lián)系，我們會(huì)安排刪除相關(guān)內(nèi)容。本文內(nèi)容為原作者觀點(diǎn)，并不代表我們贊同其觀點(diǎn)和（或）對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)。

先藝電子、XianYi、先藝、金錫焊片、Au80Sn20焊片、Solder Preform、芯片封裝焊片供應(yīng)商、芯片封裝焊片生產(chǎn)廠家、光伏焊帶、銀基釬料、助焊膏、高溫助焊劑、高溫焊錫膏、flux paste、陶瓷絕緣子封裝、氣密性封裝、激光器巴條封裝、熱沉、IGBT大功率器件封裝、光電子器件封裝、預(yù)成型錫片、納米銀、納米銀膏、AuSn Alloy、TO-CAN封裝、低溫焊錫膏、噴印錫膏、銀焊膏、銀膠、燒結(jié)銀、低溫銀膠、銀燒結(jié)、silver sinter paste、Ceramic submount、低溫共晶焊料、低溫合金預(yù)成形焊片、Eutectic Solder、低溫釬焊片、金錫Au80Sn20焊料片、銦In合金焊料片、In97Ag3焊片、錫銀銅SAC焊料片、錫銻Sn90Sb10焊料片、錫鉛Sn63Pb37焊料片、金錫Au80Sn20預(yù)成形焊片、Au80Sn20 Solder Preform、大功率LED芯片封裝焊片生產(chǎn)廠家、TO封帽封裝焊片、In52Sn48、銦銀合金焊片、純銦焊片供應(yīng)商、銦In合金預(yù)成形焊片、錫銀銅SAC305（Sn96.5Ag3.0Cu0.5）焊片、錫銀銅預(yù)成形焊片焊箔供應(yīng)商、錫銻焊片、Sn90Sb10 Solder Preforms、錫鉛焊片、錫鉛Sn63Pb37焊片供應(yīng)商、錫鉛Sn63Pb37焊片生產(chǎn)廠家、錫鉛預(yù)成形焊片、金錫合金焊片選型指南、低溫合金焊片應(yīng)用、低溫合金焊片如何選擇、預(yù)成形焊片尺寸選擇、xianyi electronic、半導(dǎo)體芯片封裝焊片、光電成像器件的蓋板密封焊接、無助焊劑焊片、圓環(huán)預(yù)成形焊片、方框預(yù)成形焊片、金屬化光纖連接焊片、金基焊料、金鍺焊料、金硅焊料、器件封裝焊料、預(yù)涂助焊劑、帶助焊劑焊片、金錫助焊劑、共晶助焊膏、預(yù)置焊片、金錫封裝、箔狀焊片、預(yù)制焊錫片、預(yù)鍍金錫、預(yù)涂金錫

廣州先藝電子科技有限公司是先進(jìn)半導(dǎo)體連接材料制造商、電子封裝解決方案提供商，我們可根據(jù)客戶的要求定制專業(yè)配比的金、銀、銅、錫、銦等焊料合金，加工成預(yù)成形焊片，提供微電子封裝互連材料、微電子封裝互連器件和第三代功率半導(dǎo)體封裝材料系列產(chǎn)品，更多資訊請(qǐng)看trimsj.com.cn，或關(guān)注微信公眾號(hào)“先藝電子”。