保持太空芯片的凉爽和可靠

文章作者:Rajan Bedi

随着COTS和空间级半导体越来越多地以更快的速度切换更多的电路，设计师面临的一个关键挑战是通过防止设备过热来确保它们的安全可靠运行。最大允许的接点温度保持不变，如果超过绝对温度的时间，部件就会损坏。例如,金属迁移，栅氧化失效和参数性能的转移。温度的升高也会导致封装或PCB中不同材料之间的热膨胀不匹配，导致界面应力和翘曲。

我最近与一个著名的FPGA供应商交谈，他最新的高端设备消耗100w。如果你比较一个相同额定的灯泡的表面积和模具的面积，灯泡产生的热流密度大约是IC的13倍。这是惊人的，我敢肯定你不会想碰一个热的100w灯泡!半导体的可靠性和寿命与结温成反比，而芯片通过封装到周围环境的有效散热对于优化器件和系统性能至关重要。摩托罗拉之前估计，半导体的使用寿命每上升10°C，超过100°C，就会减少一半——这是温度的函数指数下降!

小卫星基线成本更低,塑料封装集成电路热电阻高,多氯联苯更加综合定位低压,大电流负载下使用低阻抗的监管机构生产,更少的物理空间,常常没有财务预算用于连接外部散热器热组件。考虑到航空电子设备制造商的时间到轨道压力，了解如何保持半导体冷却将确保您的设计是正确的首次，并在整个任务的预期寿命期内可靠运行。万博投注网址

通常，在塑料封装的QFP半导体中产生的热量约有80%通过其引脚传导而被除去，金属引线框架传递器件内产生的热量(图1）.通常，剩下的20%会被对流带走，然而，在真空的空间中，这不是一个选择。随着节点温度的升高，它们变得不那么可靠，也更容易受到长期热加速故障的影响。零件的成功设计依赖于保持它们的冷却，使它们在安全的操作范围内工作。

图1标准塑料包装的冷却[德州仪器]。

传导和辐射是在轨道上用于从半导体中去除热量的技术，在这篇文章中，我想重点重复使用PCB作为一个散热器的铅或QFN芯片与暴露的叶片。这通常是接地和焊接到PCB上的一个相应的垫，该垫是电连接到一个或多个接地或电源平面内的堆栈使用热通道，以增加有效的表面冷却。

这种散热方法利用了高导热性，带有桨叶的器件在结和外壳之间有更低的热阻，也就是说,Ө_JC，使热量从封装底部传导，然后利用PCB堆栈内的铜平面横向扩散(图2）.如果通道是通孔，那么辐射可以从设备和电路板上进一步带走热量，但为了实现这一点，PCB的反面必须“看到”较低的环境温度，例如,一个冷脸。外部散热器也可以连接到板的这一边。

图2外露叶片塑料包装的冷却[德州仪器]。

当热结和冷结之间存在温差时，热就会流动，热阻最低的路径吸收的热量最多。通常采用类似于欧姆定律的简化电阻模型来表示散热、温升和热阻(图3）.这可以用来估计PCB面积，热通道，铜厚度和外部散热对结温度和可靠性的影响。

电阻电路将电荷、电流、电位和欧姆电阻的电量分别建模为热、功率、温度和热阻抗，如下图所示。热量从半导体结流过它的外壳/封装，然后进入一个散热器，PCB平面，外部或两者。你只需将功率耗散乘以所有单个热阻的总和，就可以计算出温度高于环境的上升，也就是说,T_J= P_迪斯*(θ_JC+θ_CS+θ_SA) + T_一个．

图3等效热电路。

θ定义了热从一种结构传递到另一种结构时遇到的阻力，例如,从结点到结点，θ_JC．这是用单位热流的温差表示的，°C/W，并取决于模具厚度，表面积和包装材料的导热系数。例如，一个器件具有连接到空气的热阻θ_晶澳(100°C /W)，每消耗一瓦特的功率，模具与环境之间就会增加100°C。θ_晶澳主要用于对同一环境下使用的不同封装进行评级，不应用于预测空间电子元件的热性能。

当重新使用PCB的接地面冷却半导体时，由于大部分的热传递是通过暴露的衬垫到PCB，最关键的值是PCB的热阻Ө_CS。我们需要调整董事会的规模也就是说,平面表面积，并设计堆栈，也就是说,用于散热的平面数量、铜的厚度以及是否使用热通道，以达到所需的Ө_CS要达到可靠的结温(图4）.

图4典型PCB的扩展热阻模型[德州仪器]。

初步估计，温升与功率耗散成正比，与表面积成反比。冷却和保持模具在目标温度下所需的总面积可以近似为:

在这一点上的一个关键问题是需要多少板(平面)面积来传导被测设备的热量，以允许它在安全的结温下可靠地工作。满足目标Ө所需的最小PCB尺寸_CS可以用下面的方程来近似:

图5显示，PCB的总热阻抗可以通过添加所有各层的热电阻来计算，每一层都是根据其厚度、横截面面积和材料的导热系数来估计的，K，例如,K= 355 W/mK铜，0.25为FR4, 58为SnAgCu，无铅焊锡和0.21焊锡掩模:

图5四层，一平方英寸PCB的热电阻[瑞萨]。

采用热透孔、较厚的铜和基片的垂直热阻可降低总Ө_CS:开口的通道比填充的通道有更高的热阻，因为垂直于热源的面积减少了。多通道增加表面积，减少其总热阻，然后与介电层平行，以计算一个更低的等效值:

一般来说，在制造过程中增加镀层厚度可以改善孔道的热导率。您还需要确保飞机的尺寸能够承受所需的负载电流，相关的温度上升是预算的，并且符合PCB材料。从图3，Ts成为板的温度!

你应该使用多少平面层来散热?什么厚度和覆盖范围?你如何知道是否需要热通道?多少，直径和间距?铜是装的还是空的?是否还需要在PCB的另一侧安装一个外部散热片?以上分析是否降低了整体热阻，Ө_CS，一旦提高的结温满足您的可靠性需求，您就完成了!在某种程度上，当增加更多的散热增加了复杂性和成本，而实际上没有对冷却做出贡献时，您将达到一个收益递减的点。

一些设备如线性调节器提供不同的封装类型和尺寸，每个都有自己的热导率和额定电流(图6和7）.如图所示，最小的节点会有更高的热电阻，导致结温升高。对于一个客户，我不得不将PFM部分更换为较大的to case，因为前者过热，导致其热断流，只能间歇性运行。

图6LM117相对封装尺寸和额定负载电流的比较。

图7封装的热和面积比较[德州仪器]。

CGA/BGA设备通常包含专用的热柱/球，通过通道为PCB堆栈中的底层提供散热路径。在电方面，这种低阻抗返回也有助于抗噪声和design-for-EMC．对于CGA/BGA封装，θ_JC定义为从结到外壳顶部的热阻抗。塑料和陶瓷封装的空间级半导体的典型值范围为0.15到22°C/W。这些值支持外部散热器的连接，以确保设备连接温度保持在其安全操作区域内。

散热器将热量从热结中传导出去，材料的选择，例如,铝或铜，翅片设计和表面处理都影响其冷却性能。表面面积越大，封装与散热片之间的热阻θ值越低_CS，热传递到周围或冷面越好。

热半导体和周围环境之间的总热阻是所有单个电阻的总和，例如,在结点和表壳之间，θ_JC，封装和散热器，θ_CS，后者与周围空气θ_SA，也就是说,θ=θ_JC+θ_CS+θ_SA．这些值中的每一个都很容易从制造商的数据表中获得。为了确定散热片的尺寸，上述简化的稳态传热模型可以重写为θ = ΔT / P_D,这使得模具和环境之间的最大热阻值，我们的设计可以在不过热的情况下容忍。例如设备功耗为10W，结温为125℃，环境温度为25℃，则热阻最大值为(125 ~ 25)/10 = 10℃/W。在实践中，T的降级值_J是常用的,例如,100°C。如果θ_JC为2.5°C/W和θ_CS为0.5°C/W时，则需要散热片与周围空气之间的热阻抗θ_SA，必须小于10 - 2.5 - 0.5 = 7°C/W。这是如何指定散热片，下一步是选择一个物理上适合您的子系统和预算!

一些空间级CGAs/BGAs包含一个内部铜段塞(或盖子)，以将热量从模具扩散到周边和PCB，如下所示(图8）：

图8空间级塑料和陶瓷CGA/BGA封装。

之前有个客户联系我，他在CGA包中设计了一个昂贵的空间级FPGA，在硬件测试期间发现设备过热。虽然我们能够提出许多建议，如何供电和使用部分，以减少其整体耗散，例如,使用更低的核心电压和更低的消耗I/O，这个不受欢迎的发现不应该在航空电子设备调试期间被发现。在制造之前，热分析、功率预测电子表格和HDL模拟将警告我们的客户即将出现的可靠性问题。这表明需要一个外部的、物理的和/或平面的PCB散热器来去除结上的多余热量，以确保IC的安全运行。

半导体散热片热阻的概念是一种近似值:它不能解释器件上热量的不均匀分布，而只能模拟系统的热平衡，也就是说,没有考虑温度随时间的变化，也没有反映辐射和对流相对温升的非线性。然而，制造商为散热器和半导体指定了典型的热阻值，这简化了他们的选择。

到下个月为止，分享在设备操作过程中降低结温的最佳技术的人将获得a火箭科学家课程世界巡回赛t恤。恭喜来自保加利亚的Dimitar，第一个回答了我之前帖子中的谜题。

这篇文章最初发表于经济日报．

Rajan贝蒂博士他是Spacechips公司的首席执行官和创始人，该公司设计和制造一系列先进的L至k波段万博投注网址、超高吞吐量车载处理器、转发器和边缘obc，用于电信、地球观测、导航、互联网和M2M/IoT卫星。该公司还提供空间电子设计咨询、航空电子测试、技术营销、商业智能和培训服务。（www.spacechips.co.uk）.你也可以在Twitter上联系拉詹，讨论你的太空电子产品需求:https://twitter.com/DrRajanBedi

太空芯片设计咨询服务公司开发定制的卫星和航天器子系统，同时向客户建议如何使用和选择正确的组件，如何设计、测试、组装和制造太空电子设备。