热分析与热设计技术（下）
即使当器件在电路中工作时，许多聪明的半导体制造商都会自己测量内核本身温度，他们用的是一片IC 的每个输入、输出和控制脚上都有的 ESD（静电放电）二极管（图11）。你可以将这种方法用于有复位或 CS（片选）脚的IC，也可以用多个其它脚作测量。由于二极管的正向压降与电流成正比，你可以将芯片放入烤箱，使小电流通过 ESD 二极管。业内很多人认为，100mA 的电流不会造成二极管的任何自热现象。你不需要为部件加电来测量二极管电压，你可以用电源脚上或接地脚下的任何输入或输出脚。管脚内部的 ESD 二极管会将该脚箝位在大约 0.6V。如果是复位脚，它需要在部件工作时保持高电平，则将该脚上拉到电源脚。当烤箱温度上升时，ESD 二极管的正向压降从大约 0.7 V降到 0.53V。同样，如果多余管脚是片选脚，它必须在 IC 工作时保持为低电平，则可以将该脚拉低到接地脚，并从 ESD 二极管获得数据。如果该脚是输出脚，则要与制造商联络，以确认没有外部电流会妨碍全部 100mA 电流穿过二极管。你必须对每种 IC 测量这个数据，不同工艺有不同的电压/过温关系。当你准备对电路中运行IC作测量时，在管脚注入100mA使其升至VCC以上，或从该脚拉出 100mA，将其降到接地以下。然后，就可以测量电压差，并推算内核的温度。
ESD方法虽有价值，但也有限制。如果IC提供数百毫安电流，则在VCC或接地的金属线和连接线内部就会有电压降。这些电压降可能对ESD二极管电压的测量值有增、减作用。你应该向应用小组，甚至 IC 设计者咨询是否会出现这种情况。为抵消电压降，可以在测量时停止供电。注意硅片的发热时间常数是微秒级，因此你必须用一台快速示波器或采集系统测量，保证测到的不是二极管已经冷却后的ESD二极管正向电压。
有关ESD二极管方法的另一个担心是，IC芯片并不是等温的，即它们在空间和时间上都不具备相等或恒定温度。测量ESD二极管时并不能永远保证测到的是内核的最热点。这里关注的是ESD二极管，它总是在芯片的边沿，低于输出晶体管的温度。你可以获得IC工作时的IR热成像图（图12）。图中明亮的白点比ESD 二极管所在的内核边沿高 25℃。当器件工作在高温下时，可能需要降级使用（参考文献8）。在 150℃时，器件可能不能满足电路的要求。
还有一种与 ESD 二极管技术等值的方法，可测量 FET 的温度，即使 FET 正在工作。这种方法利用了一种现象，即 FET 导通电阻与其温度成正比。FET 的温度越高，导通电阻就越大。通过记录各种温度下的导通电阻，就可以在 FET 工作在导通状态时测量其上的电压和通过的电流，从而推算出 FET 的温度。这种方法甚至可以用于电源芯片中集成的 FET。记住自热总是电子电路中的一个隐蔽的现象，因此，当在烤箱中获取导通电阻数据的时候，必须为 FET 加一个短暂的快速上升脉冲电流，以保证内核与烤箱有相同的温度。
做测量只是检查真实情况，验证自己的假设与估算的一个部分。如果没有可用的环境温度，你还必须自己创造出来。汽车公司会在亚利桑那州和加拿大做跟踪测试，对于电子测试，采用台面测试室或温度强制系统，如Thermonics的T-2500E型（图13）。要确保使用的电缆和测试线可以承受热量。Brown BNC电缆有较高的额定温度，优于更常用的黑色U58型线（参考文献9）。热风枪的快速气流就可以加热 IC，但要小心，IC 可能很容易被热风枪毁坏。制冷喷雾器某种程度上比较安全，但也有在电路上结霜造成电路短路的缺点。测试室可以建立大气环境，包括温度、压力和湿度，你需要用这三方面来完全模拟实际的环境。
总之，必须在设计电子系统时牢记热设计的危险，小心可以毁掉设计的外部影响。与增加自有电路的其它工程师作交流，这些电路会增加或减少你电路中的热量。同样重要的是与小组中的机械工程师交流热问题。他们可能是你确保良好热设计的最佳伙伴。如果经理准备去掉风扇，并将外壳从金属改为塑料时，你应该准备好热电偶和测试室，向他表明这不是个好主意。
