2.1.4　工作結溫與可靠性

1. 元器件的工作結溫與元器件的可靠性

在電子系統中，所謂的熱量控制就是通過有效的方法把元器件產生的熱量傳送到系統的散熱系統中，以保證所有元器件都處在正常的工作溫度環境。如果溫度超過了元器件規定的溫度值，將會導致某些電子元器件被物理破壞或者過早失效[25，26]。

電子元器件的失效率F與熱量成正比例，可以用阿侖尼烏斯公式（Arrhenius Equation）表示。

式中，F為失效率；A為常數；EA為活化能（eV）；K為玻爾茲曼常數，8.63×10-5eV/K；T為接合處的溫度。

例如，某一元器件的活化能EA=0.65eV，正常工作溫度為50℃，如果溫度升到60℃，則失效率將擴大到兩倍。從這個例子可以看到，有效控制溫度可以延長系統的使用期限，降低失效率，增強熱耐久性，提高單位空間內電路的安裝密度和能量密度。

元器件的工作結溫直接影響元器件的可靠性。例如，TMS320LF24××和TMS320F28××系列DSP器件工作結溫與FIT（故障率，1FIT=10-9h=10-6kh）的關系[27]如圖2-7所示。從圖2-7可見，元器件的故障率隨結溫的升高而上升。封裝壽命與工作結溫（Tj）的關系[27]如圖2-8所示。封裝壽命隨工作結溫的升高而縮短。

2. 通過元器件的熱阻計算元器件的結溫示例

可以通過元器件的熱阻計算元器件的結溫。圖2-9為一個RF半導體器件安裝在PCB上[28]。

半導體器件的熱阻等效電路[28]如圖2-10所示。從熱源（晶體管結）開始，熱量可以通過兩條路徑傳遞。第一條路徑：熱量從晶體管結，通過封裝模制化合物傳遞，然后通過對流傳遞到器件周圍的空氣。第二條路徑：熱量通過與器件管芯連接的引線，通過PCB流入機殼（機箱），最后通過對流流向空氣。第二條路徑是計算結溫的主要路徑，因為器件中產生的大部分熱量都是通過這條路徑傳遞的。

已知器件的熱阻，器件的結溫計算如下。

首先考慮的因素是器件如何使用。如果大量的功率作為RF能量輸出，則該能量不會在器件中消耗，在計算結溫時需要從耗散功率中減去RF能量。可以通過添加DC輸入功率（PDC）和RF輸入功率（PRFin），并減去RF輸出功率（PRFout）來計算耗散的有效功率（Peff）。

如果與直流電源功率相比，輸入和輸出的射頻功率都非常小的話，則可以將Peff簡化為

給定NGA-589的工作參數和熱阻，確定其結溫的過程[28]如下。

TChassis是PCB連接到機箱的溫度，TChassis = 70℃。PRFin = 1mW，PRFout = 50mW，Vdev = 5.0V，Idev = 80mA。RTh，j-l是從器件的結到引線的熱阻，RTh,j-l = 100℃/W。?T Lead-PCB是器件引線與引腳之間的溫差，?T Lead-PCB = 10℃。?T PCB-Chassis是PCB和機箱之間的溫差，?T PCB-Chassis= 5℃。

步驟1：計算有效耗散功率。

步驟2：設置結溫方程。

式中，i是圖2-10中的某個熱阻。

步驟3：計算圖2-10中的某個?Ti。

步驟4：求解方程。

步驟5：求解方程。