厚膜集成電路電源優(yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)用
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1實(shí)驗(yàn)測(cè)試
本文主要采用了紅外測(cè)量技術(shù)來測(cè)量整個(gè)電路中不同部件的溫度變化情況，該方法不需要探測(cè)器接觸到電路就能直接測(cè)出整個(gè)電路中各個(gè)部分的溫度，這種不接觸的形式不會(huì)對(duì)電路內(nèi)部的溫度產(chǎn)生影響，也能得到較為精確的測(cè)量結(jié)果，這也是該測(cè)試方法最具有競(jìng)爭(zhēng)力的地方。由于在空氣中的物體或多或少地都會(huì)向外部輻射一定的能量，這種能量往往以紅外線的形式存在，因此用紅外探測(cè)器很容易分辨出不同部分溫度之間的差異，并且能夠快速鑒別出物體表面的溫度。
2有限元建模求解
為了得到較為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)來輔助測(cè)試，使用了包括ANSYS、EXCEL等在內(nèi)的常用測(cè)試軟件，并圍繞核心的有限元法對(duì)電源進(jìn)行了檢測(cè)與測(cè)量,得到了線路中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度，并且對(duì)其散熱性能進(jìn)行了系統(tǒng)性的分析。一般來說，一個(gè)電源模塊內(nèi)部往往包含有數(shù)量眾多的電子元器件，并且相互之間的關(guān)系較為復(fù)雜，系統(tǒng)高度集成化，要對(duì)其進(jìn)行建模需要消耗大量的時(shí)間與計(jì)算，往往得不償失。在這樣的條件下，筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)適當(dāng)簡(jiǎn)化了電源模塊，將在紅外檢測(cè)中變化不大的元器件中直接省略，轉(zhuǎn)而研究那些溫度變化較大的元器件，并得到了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
DC/DC電源在工作的過程中自然會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，為了減少發(fā)熱對(duì)電路穩(wěn)定順利運(yùn)行的影響，就需要采用一定的散熱處理。散熱一般從兩個(gè)方向進(jìn)行，其一為減少整體的發(fā)熱量，其二為提升散熱功率。在常用的散熱手段中，最為經(jīng)濟(jì)的就是加裝散熱器了，但是這種操作受到很多因素的影響，不僅要控制整個(gè)系統(tǒng)的體積，還要考慮成本因素。因此在加裝散熱器得不償失的時(shí)候，就要考慮提升系統(tǒng)內(nèi)部的熱傳導(dǎo)效率了。
3.1對(duì)DC/DC電源進(jìn)行熱模擬
在本文設(shè)計(jì)的模擬實(shí)驗(yàn)當(dāng)中選用的DC/DC電源為金屬材質(zhì)，金屬材質(zhì)傳導(dǎo)熱量的能力較強(qiáng)，并且電源采用的是真空封閉，因此散熱能力較差，難以通過空氣的對(duì)流來實(shí)現(xiàn)散熱。除此之外，由于電源材料主要以輻射較低甚至是無輻射的材料制作而成，因此內(nèi)部的熱量主要以熱傳導(dǎo)的方式向外傳遞，傳導(dǎo)的過程中要通過粘結(jié)層、基板以及外殼等部分，然后再在外殼表面對(duì)外輻射出熱量。為了準(zhǔn)確而又有效地展現(xiàn)內(nèi)部熱傳導(dǎo)的實(shí)際情況，研究人員假設(shè)內(nèi)部的熱量并沒有輻射的現(xiàn)象。
3.2如何優(yōu)化電源的設(shè)計(jì)
本模擬所選用的電源主要以傳導(dǎo)的方式來散熱，所以選用材料的種類，以及材料自身熱傳導(dǎo)的優(yōu)良性都是保證系統(tǒng)內(nèi)部溫度正常的因素。在功率器件VDMOS的核心部分，溫度一般處于不斷變化的過程中，筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)分析了外殼、基板等部位采用材料的種類對(duì)溫度變化的影響，發(fā)現(xiàn)電源外殼是直接決定散熱能力的因素。由于外殼是電源內(nèi)部熱量與外部空氣交換的關(guān)鍵部位，所以要保證電源外殼較高的熱傳導(dǎo)性能。一般來說，材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)越高，就能在單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)并散發(fā)出更多的熱量，這也是選擇散熱能力高的材料時(shí)首先要考慮的因素。四種不同的材料分別受到芯片溫度的影響，而隨著溫度的不斷升高，外殼的導(dǎo)熱率也隨之增大，在短時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)走更多的熱量，這也是高熱導(dǎo)率的材料傳熱的原理。
4結(jié)論
在大量的實(shí)踐基礎(chǔ)上，本文結(jié)合了有關(guān)測(cè)量結(jié)果，采用了有限元法來分析了DC/DC電源的散熱情況，模擬了一套有較強(qiáng)針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)電源內(nèi)部的熱量分布以及實(shí)際散熱效率進(jìn)行了系統(tǒng)性的分析。還討論了不同種類的材料散熱能力的高低，得到了具有普遍性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。仔細(xì)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn)，要想提升芯片的散熱能力與散熱效果，可以選用導(dǎo)熱系數(shù)更大的材料，或是提升內(nèi)部散熱系統(tǒng)地總功率，以保證集成電路的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
作者：任志偉 尚書 單位：錦州七七七微電子有限責(zé)任公司
