厚膜集成電路電源優(yōu)化設(shè)計運用
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1實驗測試
本文主要采用了紅外測量技術(shù)來測量整個電路中不同部件的溫度變化情況，該方法不需要探測器接觸到電路就能直接測出整個電路中各個部分的溫度，這種不接觸的形式不會對電路內(nèi)部的溫度產(chǎn)生影響，也能得到較為精確的測量結(jié)果，這也是該測試方法最具有競爭力的地方。由于在空氣中的物體或多或少地都會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
為了得到較為準確的實驗結(jié)果，筆者所在的研究團隊采用了計算機技術(shù)來輔助測試，使用了包括ANSYS、EXCEL等在內(nèi)的常用測試軟件，并圍繞核心的有限元法對電源進行了檢測與測量,得到了線路中各個節(jié)點的溫度，并且對其散熱性能進行了系統(tǒng)性的分析。一般來說，一個電源模塊內(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)系較為復雜，系統(tǒng)高度集成化，要對其進行建模需要消耗大量的時間與計算，往往得不償失。在這樣的條件下，筆者所在的研究團隊適當簡化了電源模塊，將在紅外檢測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，并得到了較好的實驗結(jié)果。
DC/DC電源在工作的過程中自然會產(chǎn)生大量的熱量，為了減少發(fā)熱對電路穩(wěn)定順利運行的影響，就需要采用一定的散熱處理。散熱一般從兩個方向進行，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候，就要考慮提升系統(tǒng)內(nèi)部的熱傳導效率了。
3.1對DC/DC電源進行熱模擬
在本文設(shè)計的模擬實驗當中選用的DC/DC電源為金屬材質(zhì)，金屬材質(zhì)傳導熱量的能力較強，并且電源采用的是真空封閉，因此散熱能力較差，難以通過空氣的對流來實現(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的方式向外傳遞，傳導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外輻射出熱量。為了準確而又有效地展現(xiàn)內(nèi)部熱傳導的實際情況，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
本模擬所選用的電源主要以傳導的方式來散熱，所以選用材料的種類，以及材料自身熱傳導的優(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，筆者所在的研究團隊分析了外殼、基板等部位采用材料的種類對溫度變化的影響，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性能。一般來說，材質(zhì)的導熱系數(shù)越高，就能在單位時間內(nèi)傳導并散發(fā)出更多的熱量，這也是選擇散熱能力高的材料時首先要考慮的因素。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，外殼的導熱率也隨之增大，在短時間內(nèi)傳導走更多的熱量，這也是高熱導率的材料傳熱的原理。
4結(jié)論
在大量的實踐基礎(chǔ)上，本文結(jié)合了有關(guān)測量結(jié)果，采用了有限元法來分析了DC/DC電源的散熱情況，模擬了一套有較強針對性的實驗模型，對電源內(nèi)部的熱量分布以及實際散熱效率進行了系統(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驗結(jié)果。仔細分析實驗結(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期穩(wěn)定運行。
作者：任志偉 尚書 單位：錦州七七七微電子有限責任公司
