2.1.4　工作结温与可靠性

1. 元器件的工作结温与元器件的可靠性

在电子系统中，所谓的热量控制就是通过有效的方法把元器件产生的热量传送到系统的散热系统中，以保证所有元器件都处在正常的工作温度环境。如果温度超过了元器件规定的温度值，将会导致某些电子元器件被物理破坏或者过早失效[25，26]。

电子元器件的失效率F与热量成正比例，可以用阿仑尼乌斯公式（Arrhenius Equation）表示。

式中，F为失效率；A为常数；EA为活化能（eV）；K为玻尔兹曼常数，8.63×10-5eV/K；T为接合处的温度。

例如，某一元器件的活化能EA=0.65eV，正常工作温度为50℃，如果温度升到60℃，则失效率将扩大到两倍。从这个例子可以看到，有效控制温度可以延长系统的使用期限，降低失效率，增强热耐久性，提高单位空间内电路的安装密度和能量密度。

元器件的工作结温直接影响元器件的可靠性。例如，TMS320LF24××和TMS320F28××系列DSP器件工作结温与FIT（故障率，1FIT=10-9h=10-6kh）的关系[27]如图2-7所示。从图2-7可见，元器件的故障率随结温的升高而上升。封装寿命与工作结温（Tj）的关系[27]如图2-8所示。封装寿命随工作结温的升高而缩短。

2. 通过元器件的热阻计算元器件的结温示例

可以通过元器件的热阻计算元器件的结温。图2-9为一个RF半导体器件安装在PCB上[28]。

半导体器件的热阻等效电路[28]如图2-10所示。从热源（晶体管结）开始，热量可以通过两条路径传递。第一条路径：热量从晶体管结，通过封装模制化合物传递，然后通过对流传递到器件周围的空气。第二条路径：热量通过与器件管芯连接的引线，通过PCB流入机壳（机箱），最后通过对流流向空气。第二条路径是计算结温的主要路径，因为器件中产生的大部分热量都是通过这条路径传递的。

已知器件的热阻，器件的结温计算如下。

首先考虑的因素是器件如何使用。如果大量的功率作为RF能量输出，则该能量不会在器件中消耗，在计算结温时需要从耗散功率中减去RF能量。可以通过添加DC输入功率（PDC）和RF输入功率（PRFin），并减去RF输出功率（PRFout）来计算耗散的有效功率（Peff）。

如果与直流电源功率相比，输入和输出的射频功率都非常小的话，则可以将Peff简化为

给定NGA-589的工作参数和热阻，确定其结温的过程[28]如下。

TChassis是PCB连接到机箱的温度，TChassis = 70℃。PRFin = 1mW，PRFout = 50mW，Vdev = 5.0V，Idev = 80mA。RTh，j-l是从器件的结到引线的热阻，RTh,j-l = 100℃/W。∆T Lead-PCB是器件引线与引脚之间的温差，∆T Lead-PCB = 10℃。∆T PCB-Chassis是PCB和机箱之间的温差，∆T PCB-Chassis= 5℃。

步骤1：计算有效耗散功率。

步骤2：设置结温方程。

式中，i是图2-10中的某个热阻。

步骤3：计算图2-10中的某个∆Ti。

步骤4：求解方程。

步骤5：求解方程。