第1章 电子产品热设计的意义¶
1.2.2 器件炸裂¶
对于有液态介质存在的元器件，温度的上升还会导致更为极端的失效表现。例如水桶电容的爆浆，无论根本机理如何，内部温度过高都是导致电容爆浆的直接原因。当温度升高时，有一个加速恶化的现象导致电容失效：①温度升高，底部用来隔绝空气中水汽的橡胶塞气密性变差，水分更容易进入电容内部；②水分
进入电容内部后，会和内部介质发生化学反应，产生气体，而更高的温度意味着更快的反应速度，因此高温下电容内部气体逐渐增多，导致气压升高，器件炸裂风险提升；③极限高温下，电容内部电解液还会沸腾，使得压力骤然升高。当这些效应产生的综合压力超过电解电容的铝外壳承受压力的时候，就会产生爆裂失效，如图 1-4 所示。
如果劣质电容内部的介质成分控制不好，图 1-4 爆裂之后的电容相互之间发生化学反应产生气体，则会致使内部形成高压，也可能导致爆浆。
1.2.3 腐蚀¶
芯片正常运行时，内部存在着一个强电场。当外界环境中的水气、盐分触及芯片表面，就可能诱发电化学反应。腐蚀的本质是化学反应，通常情况下，化学反应速率与温度的关系可以表达为
式中，R 为化学反应速率； \(R_{0}\) 为特定化学反应在参考温度下的实测反应速率； \(E_{a}\) 为电子激活能量；k 为玻耳兹曼常数；T 为温度。
可以看到，化学反应速率随温度的升高呈指数级上升。因此，高温环境下，电子元器件中某些电化学腐蚀将会加剧。
1.2.4 氧化物分解¶
芯片的腐蚀是与外界环境强相关的现象。当使用环境极好，周围没有可与芯片材料反应的物质时，芯片内部的组成物质也会发生分解。由于同属于化学反应，因此温度对其速率的增加遵循类似的规律。内部的物质发生分解后，电气性能显然会发生巨大变化（反应物和生成物已经不是同一种物质了），芯片性能与内部分解反应进行的程度强相关。
1.2.5 芯片功耗¶
芯片消耗能源进行相关运算是其发热的本源。芯片功耗一般分为两种，即来自开关的动态功耗和来自漏电的静态功耗。
动态功耗又可分为电容充放电（包括网络电容和输入负载），还有当 P/N MOS 同时打开形成的瞬间短路电流。静态功耗则是由于绝缘材料绝缘性不足，本应关闭的部分无法完全断电，产生的多余功耗，用专业术语来说是逻辑门没有活动或者没有翻转时产生的能量损耗， \(P_{\mathrm{static}} = V_{\mathrm{dd}} \cdot I_{\mathrm{leakage}}\) ， \(V_{\mathrm{dd}}\) 是晶体管工作电压， \(I_{\mathrm{leakage}}\) 是漏电流。短时间内（使用半导体材料来实现数据或信息的处理时代），随着芯片制程工艺的提升，晶体管的尺寸在不断缩小 [4]，芯片的动态功耗会下降，但关断状态下晶体管的漏电流却越来越大，由此导致静态功耗在芯片总耗能的占比越来越高 [5]，见表 1-2。
表 1-2 不同工艺的 DSP 的典型静态功耗在总功耗中所占的比例 \(^{[5]}\)
| DSP | 工艺 | 静态功耗所占比例 |
| TMS320C6201 | 180nm | <1% |
| TMS320C6416 | 130nm | 11% |
| TMS320C6455 | 90nm | 24% |
制程工艺的先进化是不可逆的。当前，根据台积电的数据，5nm 技术在 2000 年量产，未来更是会考虑进一步提升到 \(2nm^{[4]}\) 。因此，可以预见芯片静态功耗的占比还会上升。这里需要强调的另一点是静态功耗还会随温度的上升呈指数级上升（在当前芯片工作温度范围内）。这是因为，当温度升高时，晶体管内载流子的热运动加剧，部分原本价带上的电子会跃迁到导带，使得材料的导带变宽，禁带变窄。禁带变窄即半导体的绝缘性下降，这使得关断状态下芯片的漏电流随温度的升高而升高。静态功耗与漏电流正相关，因此静态功耗也将随温度的升高而升高，如图 1-5 所示。这一效应会随着制程的不断先进化越来越明显。
温度对功耗的影响正在变得不可忽略，这是因为由温度上升诱发的功耗上升，会进一步加重产品散热负担，使得温度变得更高，形成恶性循环。这就导致了一个临界点：
温度上升 T，芯片功耗上升 P。解决这些新增的功耗 P，需要增加温升 \(T_{1}\) 。如果设备的热设计方案中，实际芯片到环境的热阻大于 \(P/T_{1}\) ，那么将导致温度持续上升，直到挂机。
这种热 - 功耗关系将可能使得温度
成为像短路、断路那样对产品有瞬时影响的因素，而不仅仅是当前对产品温度触感或长期可靠性有影响的因素。从这个角度推测，热设计在产品整体设计中扮演的角色将会越来越重要。
1.2.6 电气性能变化¶
芯片实际运行的最优点只能位于某一个温度点或一个较小的温度范围内，当芯片的温度很高或很低时，由于各类物质的电气性能相对设计温度已经发生较大变化，芯片将无法实现预期的功能。因此，电气性能的变化也是温度的关键影响之一。本书第 17 章将详述温度对材料磁导率、介电常数、介电损耗、磁滞损耗等参数的影响，并解释了这种影响在元器件性能表现方面带来的差异。而且，半导体材料的演进中主要变化的就是这些电气参数 \(^{[6]}\) 。
1.3 解决芯片热可靠性的两个维度¶
从上述总结中可以获知，温度与芯片内部热应力、芯片腐蚀速率、内部氧化物分解速率、芯片功耗以及内部组成物质的电气性能有直接关联。通过影响上述因素，芯片内部发生断路、短路、参数漂移和漏电，进而失效，如图 1-6 所示。
从上文可知，广义上讲，对于所有的电子产品，保证产品温度安全性的手段有内外两个方向：
其中向内涉及的是芯片封装热设计，向外则是产品系统热设计。本书多数内容针对系统热设计层面，第 5 章将简略陈述芯片级热设计方法。
1.4 热设计方案的评估标准¶
信息时代和人工智能时代离不开形形色色电子产品的支持。从本章前两节可以看出，温度对电子产品性能的影响极为关键。有充分的理由相信，电子产品热设计这一学科有着非常光明的未来。热设计的目标是将热量按照给定的路径以合理的方式转移到给定位置，从而精确控制产品各部分的温度。细分来讲，一个优秀的产品热设计方案应当包括如下几点特征或做出合理的权衡：
热设计的目标需要深度结合产品特征来定，例如，外观在不同的产品类型中有明显不同的地位。对于手机、笔记本电脑等消费类电子产品，外观是核心参考要素；而对于变频器、室外基站等产品，散热的可靠性和功能性才是首先需要满足的要求。对于航空航天领域，稳定性和可靠性是核心指标，而成本、外观等相对不那么重要。
1.5 本章小结¶
温度对电子产品的影响是全方位的。除了功能性的损伤，表面的温度触感对许多终端类产品也非常重要。温度对元器件封装工艺的影响也越来越明显，甚至正逐渐成为核心控制因素。笔者水平有限，仅从表面上宏观地介绍了热设计的意义，但这并不影响读者得出这样的结论：随着半导体行业的发展和清洁能源时代的来临，温度对设备性能的影响将会越来越大，热设计大有可为。
参考文献¶
第 4 章¶
热设计理论基础¶
要想解决产品散热问题，掌握相关理论知识是最基本的前提。本章将讨论以下几个问题：
2.1）热和温度¶
热是自然界最常见的一种能量，热量的重要性不言而喻，甚至可以说，整个人类文明史就是人类对热利用技术不断提升的历史。
考古证明，约 50 万年前，人类就已经开始使用火来加热、烹饪食物 \(^{[1]}\) 。发生在近代的第一次科技革命和第二次科技革命均与热利用技术紧密相关。
第一次科技革命的核心是蒸汽机的广泛使用。蒸汽机的核心是液体受热蒸发，气压升高，利用气体的不断蒸发来推动机械运动，使热能转化成机械能。
第二次科技革命引入了电能，发电成为关键环节。迄今为止，火力发电（将热能转化成机械能，然后再转化成电能）仍然是发电的主要方式。
同其他所有的学科一样，直到近代，人类才在认识热的物理本质上取得了明显的进展。古代人类对热的认知基本完全停留在感性的基础上，被宗教人员委以各种神话色彩，这不在本书的讨论之列，故不详述。本书仅对近代热学和现代热学做一个概述，帮助读者理解热的本质。
2.1.1 热动说和热质说¶
近代热学是近代物理学的一个分支。关于热的解释，近代热学充满经典的笛卡儿 - 牛顿知识体系色彩。
早期关于热的本质的学说分为热是一种运动和热是一种物质两类。
热动学说由伦福德伯爵于 1798 年引入，并由法国物理学家尼古拉・卡诺进一步发展 \(^{[2]}\) 。牛顿、笛卡儿等人也支持该假说。热动说的核心观点是将热看成是一种运动，热量从高温物体传递给低温物体的原因是高温物体中的微粒把运动传给低温物体中的微粒，而且给出的运动量与接受的运动量相等。按照热动说，传热现象可以很好地从微观上与动量守恒定律匹配起来。
与热动说几乎同一时代，热质说也在相当长的一段时间得到普遍认同，而且在热质说的理解下，还衍生了许多新的、目前仍被认为在经典时空中是正确的概念和定理。热质说的核心观点是将热看成是一种物质，即热质（caloric），热量的单位卡路里（Calorie）即源自热质。热质说简易地解释了当时发现的大部分热学现象，即物体温度的变化是吸收或放出热质引起的；热传导是热质的流动，对流是载有热质的物体的流动，辐射是热质的传播；物体受热膨胀是因为热质粒子间的相互排斥；物质状态变化时的 “潜热” 是物质粒子与热质发生 “准化学反应” 的结果；摩擦或碰撞的生热现象同样是由 “潜热” 被挤压出来以及物质的比热变小的结果等。由于热质的物质性，所以它也遵从物质守恒定律。
可以说，在解释常见的物理现象时，热质说更加直观。在热质说观点的指导下，热学研究所取得的主要进展有：布莱克发现了比热和潜热；瓦特从理论上分析了旧蒸汽机的主要缺陷从而引导他改进了蒸汽机；傅里叶依据这一物理图像建立了热传导理论；卡诺从热质传递的观点出发于 19 世纪初提出了消耗从热源取得热量而得到功的理论。
但是，到了 18 世纪末，热质说受到了严重的挑战。1798 年，物理学家本杰明・汤普逊，即伦福德伯爵向英国皇家学会提出了一个报告，说他在慕尼黑监督炮筒钻孔工作时，注意到炮筒温度升高，钻削下的金属屑温度更高的现象，他提出了大量的热是从哪里来的这个问题。他在尽量做到绝热的条件下进行了一系列钻孔实验，比较了钻孔前后金属和碎屑的比热，发现钻磨不会改变金属的比热。他还用很钝的钻头钻炮筒，半小时后炮筒从 \(60^{\circ}\mathrm{F}^{\ominus}\) 升温到 \(130^{\circ}\mathrm{F}\) ，金属碎屑只有 50 多克，相当于炮筒质量的 1/948，这一小部分碎屑能够放出这么大的 “潜热” 吗？他想：“看来在这些实验中，由摩擦产生的热的源泉是不可穷尽的。任何与外界隔绝的物体或物体系，能够无限制地提供出来的东西，绝不可能是具体的物质实体。在这些实验中被激发出来的热，除了把它看作是‘运动’以外，似乎很难把它看作为其他任何东西 [3]。”
1799 年，英国化学家戴维（1778—1829）在真实装置中使两块冰相互摩擦，并使周围的温度比冰还低。实验发现，冰块摩擦后就逐渐融化了。戴维分析指出，使冰块融化的热不可能从周围的空气中来，因为周围空气的温度比冰还低；也不可能来自潜热，因为冰融化时是吸收潜热，而不是放出潜热。戴维由此断言 “热质是不存在的”。1812 年他终于明确提出：“热现象的直接原因是运动，它的转化定律和运动转化定律一样，同样是正确的 \(^{[3]}\) 。”
热质说和热动说被完美地融合在相对论的质能关系中。热是一种能量，兼具运动和物质两种属性。热量能够反映出物体内部微粒的随机运动，它与物体的宏观运动状态无关，而只与物体的内部状态有关，因此有时也将热能称为内能。热能的微观意义是内部微粒的随机运动，宏观表现则是温度。
2.1.2 温度的物理意义¶
温度是衡量物体冷热程度的一个标量。现代科学中，温度与物理、化学、生物、地球科学等多个学科都有关联。热是分子运动的宏观表现形式，构成物体的分子运动的平均动能体现的是热的程度，热的程度也就是温度。
经典的热质说或热动说最难解释的现象就是热辐射。辐射换热不需要中间介质，且高温面的热量以光速瞬间抵达低温面。无论热量是一种物质还是一种运动，辐射换热都难以获得合理的解释。这样，理解不同温度表面的辐射换热就需要了解温度和辐射之间的关系，探究温度的微观本质。微观上来讲，电子时刻不停地受到光子的扰动，不断地吸收各种能量的光子，也不停地辐射出各种能量的光子，所以电子在原子核中并不是处于稳定状态的，它的运动轨迹也不是正圆。一般来说，温度越高，电子受到的扰动越大，其运动轨迹偏离圆形的趋势越明显；温度越低，电子受到的扰动越小，电子的运动轨迹越接近圆（只有在绝对零度时，电子的运动轨迹才可能是正圆）。从这个意义上来说，原子模型可以看作是卢瑟福的行星模型和电子云模型的结合：温度越高，原子模型越接近行星模型；温度越低，原子模型越接近电子云模型（但在某一瞬间，电子在原子核中有确切的位置）。温度的高低反映了电子偏离稳定轨道的程度，单个原子（分子）也有温度。电子偏离圆形轨道的程度越大，表明该原子的温度越高，电子裂变后放出的能量也越大。所以温度升高时物体发出的电磁辐射向短波方向移动。对于温度一定的物体来说，它的内部包含了大量的原子，这些原子中的电子由于受到的扰动大小不同，因此它们裂变放出光子的能量也不同，但大致满足正态分布，即发出的光子中能量特别大的和能量特别小的都是极少数。
人们通常认为：热现象是大量分子无规则运动的反映，温度越高分子的平均速度越大，温度越低分子的平均速率越小。严格意义上讲，这一理解可能只适用于一定场景中。太阳时刻不停地向外抛射高能粒子，这些粒子的速度接近光速，宇宙中其他恒星也在不停地向外抛射高能粒子，所以在宇宙空间的任何地方，都有许多高能粒子正在做杂乱无章的运动，这些粒子的速度通常都接近光速或亚光速。这样看来宇宙空间的温度应该很高。但事实上，宇宙空间温度极低（3K 左右）。这说明粒子运动速度快未必温度就很高，物体的温度不是由组成它的原子（分子）的平均运动速度决定的。温度升高，原子（分子）的平均速度增大；但反过来，原子（分子）的平均速度增大并不意味着温度升高。只要物体的温度在绝对零度以上就会向外辐射电磁波，而物质向外辐射电磁波的原因是电子受到扰动后在静电力作用下放出光子，并且电子受到的扰动越大，放出的光子能量也越大，相应的物体温度也越高。从这个意义上来说，原子是储存热量的最小单位，单个原子也有温度，因为它可以储存热能。但单个的带电粒子，如质子、电子在不受外界任何扰动时，即便速度再大也不会向外界释放能量，所以它们都不能储存热能，因而也没有温度。应该看到，原子（分子）的高速运动所具有的能量仅仅是动能而不是热能，和宏观物体一样，速度大未必温度高。宏观物体的速度与其温度无关，原子（分子）也是如此。一个原子（分子）的速度比其他原子（分子）的速度快，只能说明它的动能大，而储存的热能未必就多。热能仅储存于原子核和电子形成的原子体系中，两者中缺少任何一个都不能储存热能。