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記得從什么時(shí)候開(kāi)始，熱分析意味著(zhù)撤回原型并確定是否需要額外加入兩個(gè)散熱片和一個(gè)風(fēng)扇嗎？現在再?lài)L試這種方式你將發(fā)現身處泥潭卻無(wú)計可逃。畢竟，熱可能會(huì )影響電氣性能并最終縮短平均無(wú)故障時(shí)間。 回顧我年富力強的工程時(shí)代，我在熱分析上從未花費太多時(shí)間，因為那時(shí)真的不需要，我還知道像我這樣的人并不是少數。但隨著(zhù)半導體每單位面積的功耗(及相應的發(fā)熱)越來(lái)越高，以及系統體積不斷縮小，越來(lái)越多未進(jìn)行熱分析的系統工程師發(fā)現自己身處困境。 “許多過(guò)去由不同器件分擔的功能現在被整合進(jìn)一個(gè)器件內�！盇nsys公司的產(chǎn)品經(jīng)理主管Dave Rosato表示。因此，現在SoC類(lèi)型器件的熱密度要高得多。 “工程師在5至10年前用于設計PCB的一般經(jīng)驗已完全不適應當今的設計了，”Rosato接著(zhù)說(shuō)�！皵的昵�，PCB作為熱傳輸路徑的角色是被忽略的�，F在，你必須將所有的熱傳輸路徑考慮在內�！� “簡(jiǎn)單解決方案”是指在設計周期中盡早實(shí)施熱分析。多早合適呢？最晚應在結構圖設計階段后立即就進(jìn)行基本熱分析。工程師需下載擬采用器件的數據手冊并從熱的角度體驗一下未來(lái)將遇到的挑戰。 若該分析指出了潛在的問(wèn)題，則工程師應考慮采用一些熱分析模擬軟件甚至還可能需要與材料廠(chǎng)商合作以確定它是否能制造出與設計參數相適應的一些東西。 筆記本電腦中的熱設計 最近，我自己的一臺筆記本電腦因與散熱片/熱管組塊集成在一起的風(fēng)扇電源故障而無(wú)法工作了。即使打開(kāi)機殼使大量冷空氣流通，這臺電腦也啟動(dòng)不了，甚至在系統執行典型的上電自檢(POST)前，“風(fēng)扇故障”的信息也一直出現。 當電腦感知到風(fēng)扇供電不正常時(shí)，系統立即停止運行�；诘募僭O如下：一般的筆記本電腦用戶(hù)在裝有空調的房間內不會(huì )打開(kāi)機蓋，因此，CPU會(huì )經(jīng)歷致命的“熱失控”。這種方法的不利之處是，由于風(fēng)扇(或連接風(fēng)扇的其它底層電源)不工作，而使整個(gè)系統也無(wú)法工作。 這是一個(gè)關(guān)于筆記本電腦制造商明確在沒(méi)有強制氣流流經(jīng)與CPU連接的散熱片時(shí)，CPU決不啟動(dòng)的好例子。該設計按照這些要求進(jìn)行了工程處理，因為筆記本電腦設計人員知道，不正確的熱管理意味著(zhù)危險即將到來(lái)。實(shí)際上，英特爾和AMD都非常嚴肅地對待這一問(wèn)題。 例如，“如果外部熱傳感器檢測到處理器溫度達到致命的125℃(最大值)，或有THERMTRIP#信號顯現，則在500ms之內，處理器的VCC電源必須關(guān)閉以防止因處理器熱失控造成的永久性硅損壞，”英特爾在其2008年1月版的Core 2 Duo Processor數據手冊中強調。 “保持合適的熱環(huán)境是系統長(cháng)期、可靠工作的關(guān)鍵。一個(gè)完善的熱方案包括器件和系統級熱管理功能，”該數據手冊寫(xiě)道。 “為保證基于英特爾處理器的系統的最優(yōu)化工作和長(cháng)期可靠性，系統/處理器熱方案應被設計為可使處理器維持在最低和最高結溫(TJ)規范之間，并遵從相應的熱設計功耗(TDP)值，”該手冊指出。 “注意：當處理器工作在這些極限指標之外，將可能導致處理器的永久性損壞以及系統內其它器件的潛在損傷，”該手冊總結說(shuō)。 為什么這些公司對消除不正確的熱管理如此興師動(dòng)眾？“許多應用(系統)正變得越來(lái)越小，例如Mac Air；而熱路徑不僅變得更短，而且還被重新排列了，”Lord公司高級微電子技術(shù)科學(xué)家Sara N. Paisner說(shuō)。 通常，散熱片被直接放置在器件上面。但最新技術(shù)將使熱量向其它方向流動(dòng)�！艾F在，散熱片可能被放在器件下面，或者，也可能熱通過(guò)電路板本身消散掉了，”P(pán)aisner指出。 但熱管理不再如此簡(jiǎn)單�！巴鈿げ牧贤瑫r(shí)擔當電磁場(chǎng)(EMF)屏蔽和散熱片的角色，這是由于殼體本身構成熱路徑的一部分，”P(pán)aisner表示。一個(gè)典型的PCB包括內置熱路徑，這使得系統設計師重新審視其設計策略。所有的器件都在縮小，現在，當為一個(gè)較大的區域散熱時(shí)，是由幾個(gè)器件共同分擔冷卻職責。 從芯片角度來(lái)看，英特爾和AMD針對正確熱設計采取的預防性措施很有趣。首先，英特爾指出，“為把溫度限制在工作條件內，處理器需要一個(gè)熱管理方案�！庇⑻貭柌捎脽�二極管、數字熱傳感器(DTS)和Intel Thermal Monitor來(lái)監測裸片溫度。 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(gè)裸片上的傳感器，它不停地監測并輸出相對于最高熱結溫的裸片溫度數據。當DTS中的一個(gè)特定位被置位時(shí)，將檢測到可導致災難性后果的溫度條件。 當硅片溫度達到最高限時(shí)，Intel Thermal Monitor通過(guò)啟動(dòng)一個(gè)熱控制電路來(lái)幫助控制處理器溫度。這樣，可以根據需要依次調整內核時(shí)鐘以使硅片溫度處于掌控中。 此外，如果處理器溫度在熱跳變點(diǎn)以上，則該監控器將產(chǎn)生一個(gè)外部信號(PROCHOT#)。它還以可生成一個(gè)中斷信號。如果該監控器失效，則將產(chǎn)生一個(gè)特殊信號(THERMTRIP#)，以提示若不立即關(guān)斷內核電壓，則很快就會(huì )出錯。 AMD采用的是一種類(lèi)似的方法。該公司的“Thermal Design Guidelines”白皮書(shū)提供諸如散熱片的最大長(cháng)度、寬度和高度等規范以及散熱片和風(fēng)扇材料要求等規范信息。 雖然由于CPU需消耗很多熱而成為一個(gè)重要的散熱目標，但也不應忽視其它系統部件。此時(shí)，一些簡(jiǎn)單計算及一些基本熱管理理論將發(fā)揮作用。 把結點(diǎn)與散熱片連接在一起 熱管理把熱從半導體結擴散到附近環(huán)境中。典型情況是，熱從半導體被傳導到封裝，然后再到熱擴散器(散熱器)，最終到周邊環(huán)境。你的設計也許沒(méi)有散熱器，也即采用的是類(lèi)似風(fēng)扇和管線(xiàn)等其它技術(shù)。 但一般理論是一樣的：把熱從一小區域擴散向一個(gè)大區域。根據熱傳導的基本理論，材料的熱導率與熱流動(dòng)的垂直區域和溫度梯度成比例。 結溫是半導體結的工作溫度(一般以℃表示)，在這里產(chǎn)生的熱最多。指定參考點(diǎn)(如結或殼體)的熱阻抗是每單位功耗(一般以Ｗ表示)高于一個(gè)外部參考點(diǎn)(如：因腳、殼體或環(huán)境溫度)的有效溫升(一般以℃表示)。 熱阻抗以θLetter1Letter2表示(即：θCA或θJA)。Letter1是指定參考點(diǎn)，且該字母一般表示該參考的初始值(即，C=殼體；J=結)。Letter2是外部參考點(diǎn)且具有類(lèi)似的表述結構(即：A＝環(huán)境)。 粗略計算 當執行一個(gè)正式熱分析時(shí)，目標是提供理解熱是如何形成并如何在系統內流動(dòng)的完整把握。但在開(kāi)發(fā)階段初期，一個(gè)簡(jiǎn)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(gè)大致把握。另一條規避無(wú)意間招致縮短平均無(wú)故障時(shí)間的途徑是使器件或系統過(guò)熱。 一旦進(jìn)行計算，就應大致了解你所用熱管理方法所需的復雜程度。也即，是打算再增加一個(gè)散熱器還是需熱管的更新奇方案或其它一些采用熱擴散、強制氣流甚至新材料的混合方案？即使借助簡(jiǎn)單的類(lèi)似增加熱過(guò)孔等手段就可滿(mǎn)足要求，未雨綢繆、防患未然也總比事后“付之一炬”好得多。 那如何進(jìn)行粗略熱分析呢？據Flomerics的電子制冷工程督導Byron Blackmore介紹，首要進(jìn)行的是PCB正反兩面的總體功率密度計算�！翱赏ㄟ^(guò)計算總體功耗并除以表面積來(lái)表示它，”他說(shuō)。 Blackmore還提供一個(gè)大致經(jīng)驗規則：若計算顯示，你設計的功耗密度超過(guò)1.5W/in.2，就應考慮增加其它措施以避免使熱產(chǎn)生連帶影響。 Paisner還連帶給出了一些指導數據�！皼Q定是否采取額外舉措的一個(gè)關(guān)鍵決定性因素是溫度，”她說(shuō)。85℃以?xún)瓤山邮埽?5℃到100℃可能也行、但要小心從事。但，在100℃以上，一般應采取附加措施。當然，除絕對溫度外，你還應考慮隨著(zhù)系統條件的改變，溫度會(huì )如何隨之變化。 如何實(shí)現？“用每個(gè)器件在PCB可能工作的最高溫度下的最大功耗并除以表面積，然后對PCB的另一面重復該計算，”Blackmore說(shuō)。然后，你必須找到熱阻抗(即：θJA)并乘以預期的功耗以確定高于環(huán)境溫度的溫升�，F在，將該值與器件標稱(chēng)的最高溫度相比。 注意：列出的θJA是就“凝滯的空氣”說(shuō)的，你必須把其它因素考慮在內，特別是你計劃使空氣在系統中流動(dòng)時(shí)。一些數據手冊也許給出在特定氣流流動(dòng)速率下器件的熱阻抗(即：θJMA)。但顯然，若你的設計接近這些極限值之一，你或許應考慮增加其它熱管理措施，且也許還是該考慮采用仿真軟件的時(shí)候了。 對給定設計來(lái)說(shuō)，這些計算也許足夠了，特別是若系統框架有許多自由空間時(shí)更是如此。那么，何時(shí)需要額外的熱分析呢？ “理想情況是，你該做兩次熱分析：一次是當該項目就PCB大小和將采用的器件有大致概念后；另一次是基本布線(xiàn)完成后，”Rosato說(shuō)。重復一遍，根據你的系統，在該布局后階段，你應考慮利用熱分析軟件實(shí)施準確得多的仿真(圖1)。 對布局和機架的考慮 必須盡早且經(jīng)常進(jìn)行熱分析。一些設計師甚至打算在申請專(zhuān)利前考慮該問(wèn)題，因為若產(chǎn)品因熱問(wèn)題而失敗，則問(wèn)題出在哪里？但其它因素影響系統設計。 “系統工程師必須理解材料與各自封裝尺寸和種類(lèi)間的互動(dòng)有多么不同，”P(pán)aisner說(shuō)�！邦�(lèi)似Lord等公司與客戶(hù)一道研發(fā)新材料來(lái)滿(mǎn)足熱要求�！� Paisner以蘋(píng)果的Mac Air筆記本電腦為例說(shuō)明產(chǎn)品遇到的嚴峻設計挑戰，類(lèi)似的這種設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。 “熱通路越復雜，成本越高，”P(pán)aisner說(shuō)�！澳惚仨毾敕皆O法把熱排出系統，另外，在材料和布局間，你情愿承受怎樣的平衡�！� 另外，從熱角度，器件排布在布局過(guò)程中起著(zhù)關(guān)鍵作用�！敖ㄗh將高發(fā)熱器件擺放在靠近通風(fēng)孔的地方，但這種要求并非總能滿(mǎn)足，所以，也許需要其它折中，”Rosato說(shuō)。 另外，功耗很大的器件也許會(huì )產(chǎn)生對其它器件極易施加影響的“下流”熱。另一個(gè)竅門(mén)是把發(fā)熱器件緊鄰著(zhù)擺放并一般放在氣流回路中。另外，“需要時(shí)，可采用分流器(diverter)流布氣流，”Rosato指出。 從布局角度，應充分關(guān)注堆疊裸片和堆疊芯片封裝器件，因更高的器件一般會(huì )妨礙熱通路。另外，可直接焊裝在PCB(器件和PCB間沒(méi)有任何氣隙)上的器件可把PCB作為散熱器。另外，還可設計進(jìn)熱過(guò)孔，但一般情況是你應了解應在布局前想好把它們放在哪里。 Blackmore介紹，布局中一個(gè)值得仿效的作法是努力使任何冷空氣的“風(fēng)頭”吹過(guò)發(fā)熱最多的器件。把器件散布以避免給下游產(chǎn)生熱氣流同樣是明智之舉。最后，“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(shuō)。因此，對任何高的器件和連接器都應特別對待、進(jìn)一步分析。 無(wú)用的輸入輸出 別為你用的器件集假定最大功耗。在計算階段，最大值對你大致把握設計基本情況有用。但你必須堅持采用更真實(shí)的數據，否則，設計有可能變得過(guò)工程化、增加不必要的重量和成本。 若你采用了FPGA，則要弄清，其內部邏輯是否在所有時(shí)間都工作在最高速度？很可能不是這樣的，所以，請邏輯工程師就更現實(shí)的工作情況給你一個(gè)合理的估算。然后，該你來(lái)決定是否需增加一個(gè)修正因數(fudge factor)。 記�。篎PGA制造商的工程團隊、測試團隊和銷(xiāo)售/營(yíng)銷(xiāo)部門(mén)也許已經(jīng)把三個(gè)不同層次的修正因數內置其中。若你能得到實(shí)際使用數據并為此添加些修正，則以后將順手得多。 公司都會(huì )問(wèn)最重要的問(wèn)題：錯誤比率是多少？提供的數據與“真實(shí)數據”相比有怎樣的關(guān)聯(lián)？數值都驗證過(guò)了嗎？在最終環(huán)境用實(shí)際材料測試過(guò)了嗎？ 在采用實(shí)際熱仿真工具的地方，你可得到精準得多的更好體驗�！盁岱治龇抡婀ぞ邞茏x進(jìn)布線(xiàn)和PCB設計信息，包括來(lái)自EDA工具的線(xiàn)段、平面和過(guò)孔定義等，”Rosato說(shuō)。 仿真工具還可包含系統封裝、詳盡的器件設計參數等信息�！胺抡婀ぞ呖深A測工作溫度來(lái)評判是否有可能超過(guò)標稱(chēng)結溫度以及在哪里系統會(huì )出現‘阻滯空氣’”Rosato說(shuō)。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果。 類(lèi)似PCB外形和大小以及諸如金屬層信息等相關(guān)的PCB建構數據等參數也被讀進(jìn)，Blackmore說(shuō)。流程的剩余部分涉及系統工程師描述系統將運行其中的環(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(gè)熱仿真。 未來(lái)發(fā)展 現在，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，當設計接近或超過(guò)其中一些極限(如：1.5 W/in.2)時(shí)會(huì )出現怎樣的情況？ 圖2：Nextreme OptoCooler模塊可用于為T(mén)O-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(cháng)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。 “傳統方案業(yè)已過(guò)氣，所以需要增加其它功能來(lái)拓展性能范圍，”Nextreme的CTO Seri Lee說(shuō)。例如，熱管具有固態(tài)制冷所以應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。 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(dòng)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)。 |
