0  引言

　　热分析（thermal analysis，TA）是指用热力学参数或物理参数随温度变化的关系进行分析的方法。国际热分析协会（International Confederation for Thermal Analysis，ICTA）于1977年将热分析定义为：“热分析是测量在程序控制温度下，物质的物理性质与温度依赖关系的一类技术。”根据测定的物理参数又分为多种方法。

　　常用的热分析方法有：差（示）热分析（DTA）、热重量法（TG）、导数热重量法（DTG）、差示扫描量热法[1]（DSC）、热机械分析（TMA）和动态热机械分析（DMA）。此外还有：逸气检测（EGD）、逸气分析（EGA）、 扭辫热分析（TBA）、射气热分析、热微粒分析、热膨胀法、热发声法、热光学法、热电学法、热磁学法、温度滴定法、直接注入热焓法等。测定尺寸或体积、声学、光学、电学和磁学特性的有热膨胀法、热发声法、热传声法、热光学法、热电学法和热磁学法等。

　　回顾我年富力强的工程时代，我在热分析上从未花费太多时间，因为那时真的不需要，我还知道像我这样的人并不是少数。但随着半导体每单位面积的功耗（及相应的发热）越来越高，以及系统体积不断缩小，越来越多未进行热分析的系统工程师发现自己身处困境。

　　“简单解决方案”是指在设计周期中尽早实施热分析。多早合适呢？晚应在结构图设计阶段后立即就进行基本热分析。工程师需拟采用器件的数据手册并从热的角度体验一下未来将遇到的挑战。

　　若该分析指出了潜在的问题，则工程师应考虑采用一些热分析模拟软件甚至还可能需要与材料厂商合作以确定它是否能制造出与设计参数相适应的一些东西。

1  笔记本电脑中的热设计

　　索尼公司宣布对其2010年1月上市的VPCF11系列和VPCCW2系列VAIO个人电脑的部分机型进行召回，并为顾客进行升级。原因是用户在使用一段时间后，可能会出现由于温控管理系统问题而导致机器过热的症状。在此之前，惠普也公布了其笔记本电脑电池组召回扩展计划，称电池芯存在由于过热起火或烫伤消费者的潜在隐患。

　　当电脑感知到风扇供电不正常时，系统立即停止运行。基于的假设如下：一般的笔记本电脑用户在装有空调的房间内不会打开机盖，因此，CPU会经历致命的“热失控”。

　　这是一个关于笔记本电脑制造商明确在没有强制气流流经与CPU连接的散热片时，CPU决不启动的好例子。该设计按照这些要求进行了工程处理，因为笔记本电脑设计人员知道，不正确的热管理意味着危险即将到来。实际上，英特尔和AMD都非常严肃地对待这一问题。

　　“保持合适的热环境是系统长期、可靠工作的关键。一个完善的热方案包括器件和系统级热管理功能，”该数据手册写道。

　　通常，散热片被直接放置在器件上面。但技术将使热量向其它方向流动。“现在，散热片可能被放在器件下面，或者，也可能热通过电路板本身消散掉了，”Paisner指出。

　　但热管理不再如此简单。一个典型的PCB包括内置热路径，这使得系统设计师重新审视其设计策略。所有的器件都在缩小，现在，当为一个较大的区域散热时，是由几个器件共同分担冷却职责。

　　从芯片角度来看，英特尔和AMD针对正确热设计采取的预防性措施很有趣。首先，英特尔指出，“为把温度限制在工作条件内，处理器需要一个热管理方案。”英特尔采用热二极管、数字热传感器（DTS）和Intel Thermal Monitor来监测裸片温度。

　　热二极管可与热传感器一起用于计算硅温度。DTS是集成一个裸片上的传感器，它不停地监测并输出相对于热结温的裸片温度数据。当DTS中的一个特定位被置位时，将检测到可导致灾难性后果的温度条件。

　　当硅片温度达到，Intel Thermal Monitor通过启动一个热控制电路来帮助控制处理器温度。

　　AMD采用的是一种类似的方法。该公司的“Thermal Design Guidelines”白皮书提供诸如散热片的长度、宽度和高度等规范以及散热片和风扇材料要求等规范信息。

　　虽然由于CPU需消耗很多热而成为一个重要的散热目标，但也不应忽视其它系统部件。此时，一些简单计算及一些基本热管理理论将发挥作用。

　　回顾我年富力强的工程时代，我在热分析上从未花费太多时间，因为那时真的不需要，我还知道像我这样的人并不是少数。但随着半导体每单位面积的功耗越来越高，以及系统体积不断缩小，越来越多未进行热分析的系统工程师发现自己身处困境。

　　“许多过去由不同器件分担的功能现在被整合进一个器件内。”Ansys公司的产品经理主管Dave Rosato表示。因此，现在SoC类型器件的热密度要高得多。

　　“简单解决方案”是指在设计周期中尽早实施热分析。多早合适呢？晚应在结构图设计阶段后立即就进行基本热分析。

　　若该分析指出了潜在的问题，则工程师应考虑采用一些热分析模拟软件甚至还可能需要与材料厂商合作以确定它是否能制造出与设计参数相适应的一些东西。

2  把结点与散热片连接在一起

　　热管理把热从半导体结扩散到附近环境中。典型情况是，热从半导体被传导到封装，然后再到热扩散器（散热器），终到周边环境。你的设计也许没有散热器，也即采用的是类似风扇和管线等其它技术。

　　但一般理论是一样的：把热从一小区域扩散向一个大区域。根据热传导的基本理论，材料的热导率与热流动的垂直区域和温度梯度成比例。

　　结温是半导体结的工作温度（一般以℃表示），在这里产生的热多。指定参考点（如结或壳体）的热阻抗是每单位功耗（一般以Ｗ表示）高于一个外部参考点（如：因脚、壳体或环境温度）的有效温升（一般以℃表示）。

3  粗略计算

　　当执行一个正式热分析时，目标是提供理解热是如何形成并如何在系统内流动的完整把握。但在开发阶段初期，一个简单的大致估算也许就足够了。

　　想法是，在上电后，对发热情况有个大致把握。另一条规避无意间招致缩短平均无故障时间的途径是使器件或系统过热。

　　一旦进行计算，就应大致了解你所用热管理方法所需的复杂程度。也即，是打算再增加一个散热器还是需热管的更新奇方案或其它一些采用热扩散、强制气流甚至新材料的混合方案？即使借助简单的类似增加热过孔等手段就可满足要求，未雨绸缪、防患未然也总比事后“付之一炬”好得多。

　　Paisner还连带给出了一些指导数据。“决定是否采取额外举措的一个关键决定性因素是温度，”她说。85℃以内可接受，85℃到100℃可能也行、但要小心从事。但，在100℃以上，一般应采取附加措施。当然，除温度外，你还应考虑随着系统条件的改变，温度会如何随之变化。

　　如何实现？“用每个器件在PCB可能工作的温度下的功耗并除以表面积，然后对PCB的另一面重复该计算，”Blackmore说。然后，你必须找到热阻抗（即：θJA）并乘以预期的功耗以确定高于环境温度的温升。

　　对给定设计来说，这些计算也许足够了，特别是若系统框架有许多自由空间时更是如此。那么，何时需要额外的热分析呢？

4  对布局和机架的考虑

　　必须尽早且经常进行热分析。一些设计师甚至打算在申请前考虑该问题，因为若产品因热问题而失败，则问题出在哪里？但其它因素影响系统设计。

　　“系统工程师必须理解材料与各自封装尺寸和种类间的互动有多么不同，”Paisner说。“类似Lord等公司与客户一道研发新材料来满足热要求。”

　　Paisner以苹果的Mac Air笔记本电脑为例说明产品遇到的严峻设计挑战，类似的这种设计不太可能有充足空间安放大散热器或其它冷却技术。这样，除非你打算不惜血本采用新奇的热方案，否则极小的空间限制将是很棘手的障碍。

　　从布局角度，应充分关注堆叠裸片和堆叠芯片封装器件，因更高的器件一般会妨碍热通路。另外，可直接焊装在PCB（器件和PCB间没有任何气隙）上的器件可把PCB作为散热器。另外，还可设计进热过孔，但一般情况是你应了解应在布局前想好把它们放在哪里。

　　Blackmore介绍，布局中一个值得仿效的作法是努力使任何冷空气的“风头”吹过发热多的器件。把器件散布以避免给下游产生热气流同样是明智之举。，“高的器件和连接器可能形成影响气流向下流通的气阻，”他说。因此，对任何高的器件和连接器都应特别对待、进一步分析。

5  无用的输入输出

　　别为你用的器件集假定功耗。在计算阶段，值对你大致把握设计基本情况有用。但你必须坚持采用更真实的数据，否则，设计有可能变得过工程化、增加不必要的重量和成本。

　　若你采用了FPGA，则要弄清，其内部逻辑是否在所有时间都工作在速度？很可能不是这样的，所以，请逻辑工程师就更现实的工作情况给你一个合理的估算。然后，该你来决定是否需增加一个修正因数（fudge factor）。

　　记住：FPGA制造商的工程团队、测试团队和销售/营销部门也许已经把三个不同层次的修正因数内置其中。若你能得到实际使用数据并为此添加些修正，则以后将顺手得多。

　　仿真工具还可包含系统封装、详尽的器件设计参数等信息。“仿真工具可预测工作温度来评判是否有可能超过标称结温度以及在哪里系统会出现‘阻滞空气’”Rosato说。也可采用交互式仿真方法，其中，工程师可演练各种热管理情况、添加散热器、若需要则返回仿真结果。

　　类似PCB外形和大小以及诸如金属层信息等相关的PCB建构数据等参数也被读进，Blackmore说。流程的剩余部分涉及系统工程师描述系统将运行其中的环境，包括：框架、通风孔、电源和其它器件等信息。然后，将全部信息组合在一起提供一个热仿真。

6  未来发展

　　现在，你了解了热分析的基本原则和重要性以及行之有效的热管理技术。但即使考虑了全部其它防范措施，当设计接近或超过其中一些极限（如：1.5 W/in.2）时会出现怎样的情况？

　　图2：Nextreme OptoCooler模块可用于为TO-56封装的激光二极管制冷。

　　你大概了解散热器、风扇、集成了风扇的散热器等技术间的长短取舍。但对更先进的方案又了解多少？许多公司提供热产品和方案。

　　“传统方案业已过气，所以需要增加其它功能来拓展性能范围，”Nextreme的CTO Seri Lee说。例如，热管具有固态制冷所以应比单独的散热器和风扇先进，虽然热管既大且笨还贵又常常需要定制。

图3 热仿真工具

　　Nextreme有几项芯片级创新，它采用比典型方案薄和小10到20倍、但排热能力却高10到15倍的技术主动把热排出（图2）。Bergquist制造几种不同的热材料和热基板。Ansys也提供热仿真工具（图3）。