現(xiàn)在很少見到未通過測量或模擬進(jìn)行過廣泛熱評估的電子設(shè)備。不可避免地，測量了器件連接點(diǎn)或外殼或外殼，以確保系統(tǒng)能夠按照預(yù)期的規(guī)格運(yùn)行。

快速查看與引線中的應(yīng)力相關(guān)的方程式，以及可靠性計(jì)算中使用的加速因子將說明溫度在電子設(shè)備中起著如此重要作用的原因。

方程式1和2清楚地說明了溫度在操作中的線性或指數(shù)關(guān)系n個(gè)電子元件。仿真工具廣泛用于當(dāng)今的熱設(shè)計(jì)中。然而，由于電子封裝的復(fù)雜性和所用材料的復(fù)合性質(zhì)，必須驗(yàn)證模擬數(shù)據(jù)。在本文中，我們介紹了不同的傳感器及其在電子熱管理中的應(yīng)用領(lǐng)域。

傳感器或探頭溫度敏感參數(shù)接觸方法備注電阻器電氣恒定電流下的電阻或電壓直接接觸通常針對熱電偶校準(zhǔn)熱電偶開路電壓直接接觸用作“點(diǎn)”傳感器二極管或晶體管電壓，通常具有恒定的正向偏置電流直接接觸通常用于測量有源器件或IC溫度紅外線或輻射探測器電壓現(xiàn)場或光學(xué)接觸產(chǎn)生溫度圖或圖像。除非在所有圖像點(diǎn)都知道樣品發(fā)射率，否則不是嚴(yán)格定量的熒光檢測器檢測器電壓直接接觸（接近）近似點(diǎn)檢測器;接觸電阻問題液晶顏色直接接觸產(chǎn)生溫度圖;半定量，除非進(jìn)行詳細(xì)的校準(zhǔn)以量化顏色與溫度的關(guān)系

1 - 電阻溫度計(jì)

《 p》使用這些傳感器，傳感元件的電阻隨溫度變化。傳感器有兩種主要形式：熱敏電阻（輕摻雜半導(dǎo)體）和金屬電阻。等式3和4分別代表這兩個(gè)傳感器的電阻和溫度之間的關(guān)系：

圖1顯示了表面貼裝的RTD（電阻）可以安裝在表面上進(jìn)行溫度測量的溫度探測器。

圖1：表面貼裝RTD（由RDF公司提供）。

使用這些類型的傳感器時(shí)必須考慮以下因素：

傳感器（電阻器）必須與試樣緊密接觸 - 建議使用焊料或小心環(huán)氧樹脂。/li》

傳感器必須放置在等溫區(qū)域 - 傳感器上的溫度恒定。

電阻器功耗（如果處于電壓模式）必須最小化，以免影響問題。

該傳感器適用于零件級測量，因?yàn)樗梢灾苯忧度肽＞咧小?/p>

2 - 熱電偶（TC） ）

這些傳感器遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是現(xiàn)場最常用的設(shè)備。廣泛的靈活性和廣泛的可用性使其可用于各種溫度測量。 TC的工作原理是，將兩根不同元素或合金的導(dǎo)線組合在一起會(huì)因溫度而產(chǎn)生電壓。公式5給出了TC的控制原理：

其中，

VTC =熱電偶產(chǎn)生的電壓

aA，B =導(dǎo)線A＆amp;的塞貝克系數(shù)。 B

T =溫度

表2顯示了電子熱測量中使用的一些典型TC類型。

類型材料A材料B V輸出（μV）范數(shù)。錯(cuò)誤的。 ±oC備注B鉑--30％銠鉑-6％銠1 0在50oC以下無效;最適合高溫測量E鎳鉻合金銅鎳合金62 1.7非常適合低溫測量J鐵不同的銅鎳合金51 2.2鐵P腿受雜質(zhì)中塞貝克系數(shù)變化的影響K鎳鋁合金（Alumel）鎳鋁合金（Alumel）40 2.2非常受電子冷卻實(shí)驗(yàn)的歡迎R鉑金-13％銠鉑7 5非常穩(wěn)定的S鉑-10％銠鉑7 5 T銅銅鎳合金40 1銅腿可以創(chuàng)造表面溫度測量中的傳導(dǎo)路徑（fin）

表2：熱電偶類型及其各自的電壓輸出 2

在上面顯示的TC類型中，E，J， K和T是最常用的。市場上的許多熱電偶儀表可以互換使用所有這些傳感器。那是因?yàn)檫@些TC的電壓輸出在同一范圍內(nèi);因此，內(nèi)部電子設(shè)備可以設(shè)計(jì)成適應(yīng)每個(gè)電子設(shè)備。

每種傳感器類型都有一些獨(dú)特的功能需要知道。例如：

E型 - 雖然準(zhǔn)確，但范圍有限

J型 - 不應(yīng)在潮濕的環(huán)境中使用，因?yàn)殍F的成分是TC會(huì)氧化，導(dǎo)致輸出錯(cuò)誤

K型 - 雖然廣泛使用，如果導(dǎo)線扭結(jié)，電壓輸出會(huì)受到負(fù)面影響

T型 - 可以是有效的熱量傳輸介質(zhì)，由于其銅成分，無論是作為翅片還是導(dǎo)體

同樣重要的是要注意熱電偶測量兩根導(dǎo)線連接點(diǎn)的溫度。結(jié)點(diǎn)越小，可以獲得的溫度讀數(shù)越精確。大的TC結(jié)將導(dǎo)致溫度在整個(gè)區(qū)域內(nèi)平均。如圖2所示，多個(gè)結(jié)將產(chǎn)生相同的影響。

在圖2中，由于在點(diǎn)焊端部之前扭曲導(dǎo)線而產(chǎn)生的多結(jié)（TC上的右），創(chuàng)造一個(gè)明顯更大的交界處。無論是測量表面溫度還是流體溫度，該TC報(bào)告的數(shù)量都會(huì)報(bào)告超過2-3 mm結(jié)溫的平均溫度。

熱電偶誤差可歸因于以下幾個(gè)方面：

連接不良

電鍍操作

熱分流

電氣噪聲

測試儀引起的安裝問題

圖2：單結(jié)和多結(jié)熱電偶傳感器。 3

錯(cuò)誤如上所列，電噪聲是一個(gè)獨(dú)特的問題，特別是在今天的高頻設(shè)備中。 TC可以以4線格式使用，以解決可能影響報(bào)告溫度的電子噪聲。使用4線熱電偶，如圖3所示，我們可以測量溫度和電噪聲。

讓我們考慮一個(gè)由鐵和康斯坦組成的J型熱電偶。所有四根導(dǎo)線均點(diǎn)焊在一起形成TC結(jié)。可以通過Iron和Constantan組合中的任何一個(gè)讀取溫度，并且可以通過兩個(gè)鐵桿或兩個(gè)Constantans讀取電子噪聲。由于兩種相似的金屬不能產(chǎn)生塞貝克效應(yīng)（將熱差轉(zhuǎn)換為電壓），因此在這些導(dǎo)線上測量的任何信號都是測量域中的電子噪聲。

圖3：用于測量電子噪聲和溫度的四線熱電偶系統(tǒng)。

測量表面溫度始終是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的過程。以下步驟將有助于提高此類測量的準(zhǔn)確度：

保持安裝尺寸盡可能小

為減少傳導(dǎo)錯(cuò)誤，請將熱電偶線遠(yuǎn)離接合點(diǎn)，至少20線徑的等溫線

將測量接頭盡可能靠近表面定位

為避免對流或輻射傳熱的變化，設(shè)計(jì)安裝使其成為可能

將測量接頭與表面之間的熱阻降低到盡可能低的值

《 - 》 3 - 二極管或晶體管

二極管和晶體管是電氣特性與溫度相關(guān)的部件。二極管廣泛用于溫度測量，既可以作為功能器件中的嵌入式傳感器，也可以作為熱測試芯片。圖4顯示了一個(gè)用于器件級仿真的熱測試芯片。

圖4：用于器件級仿真的熱測試芯片。

以下描述了使用半導(dǎo)體材料進(jìn)行溫度測量的一般注意事項(xiàng)：

每個(gè)半導(dǎo)體器件至少有一個(gè)電氣參數(shù)是溫度的函數(shù)

熱測試芯片使用半導(dǎo)體器件的熱敏參數(shù)來測量芯片結(jié)溫

通常使用單獨(dú)的加熱和傳感元件來避免電氣開關(guān)的需要

傳感器的熱校準(zhǔn)設(shè)備是必要的

熱測試芯片提供了一種在實(shí)際封裝配置中測量芯片結(jié)溫的有效方法

材料的使用取決于預(yù)期封裝應(yīng)用的可用性/適用性

4 - 紅外熱像儀

紅外熱像儀的工作原理從加熱表面發(fā)射的IR波。紅外系統(tǒng)捕獲波，并根據(jù)內(nèi)部校準(zhǔn)將其轉(zhuǎn)換為溫度。

基于紅外的測量需要以下內(nèi)容：

紅外成像系統(tǒng) - 市場提供了廣泛的范圍，但一個(gè)有價(jià)值的系統(tǒng)起價(jià)約為30-70，000美元。對于紅外顯微鏡（僅低至5毫米 - 紅外波長的下限），系統(tǒng)起價(jià)為180美元

信號處理設(shè)備

發(fā)射率知識 - 如果試樣必須涂上已知的發(fā)射率材料

校準(zhǔn)

圖5a和5b顯示了發(fā)熱表面的典型紅外圖像。

《圖5a和5b：強(qiáng)制（a）和自然（b）對流中電路板的紅外圖像。 3

使用紅外熱像儀進(jìn)行溫度測量時(shí)，以下幾點(diǎn)值得注意：

應(yīng)用精度是發(fā)射率的函數(shù)

測量情況必須與實(shí)際環(huán)境重復(fù)，

紅外熱像儀對反射輻射敏感

二氧化碳和水蒸氣吸收大量能量并可能導(dǎo)致嚴(yán)重錯(cuò)誤

li》

在電子應(yīng)用中，表面通常具有不同的發(fā)射率。因此，必須在測量已知發(fā)射率（黑色涂料或粉末）之前使發(fā)射率均勻。

在大多數(shù)IR設(shè)備中，溫度讀數(shù)是一個(gè)區(qū)域的平均值。因此，作為積分的結(jié)果，可以忽略溫度峰值。為了糾正這種情況，必須使用更好的紅外光學(xué)器件來減少發(fā)生積分的區(qū)域。

5 - 光學(xué)探頭

光學(xué)傳感器是發(fā)光器件，照亮了測試體具有源輻射，并可以檢測反射輻射，或模擬輻射，如熒光。雖然沒有廣泛使用，但光學(xué)探針用于芯片或元件級。圖6顯示了一個(gè)這樣的探頭。

圖6：用于表面溫度測量的光學(xué)探頭 - 探頭接觸表面或捕獲來自經(jīng)過熒光處理的表面。

6 - 液晶熱成像

LC熱成像技術(shù)基于從LC材料處理過的表面反射的可見光。系統(tǒng)捕獲反射波長，并根據(jù)內(nèi)部校準(zhǔn)將其轉(zhuǎn)換為溫度。液晶（LC）是膽甾型材料。當(dāng)應(yīng)用于加熱表面時(shí)，它們重新對準(zhǔn)并反射不同波長的光。反射光顯示彩虹中的標(biāo)準(zhǔn)顏色。圖7顯示了LC在IC上的應(yīng)用。

圖7：IC上應(yīng)用的液晶的彩色顯示。藍(lán)色顯示電路最熱點(diǎn)，黑色顯示溫度超出晶體材料范圍。 3

以下是LC材料的顯著特征：

液晶是有機(jī)化合物，可以像液體一樣傾倒;

LC光學(xué)特性的變化可以通過外部應(yīng)用的場（例如，電，磁和熱）產(chǎn)生。

膽固醇液晶逐漸顯示出所有顏色在其事件溫度范圍內(nèi)加熱時(shí)的可見光譜

事件溫度范圍的寬度和位置可通過選擇和混合適當(dāng)?shù)囊壕砜刂?/p>

液晶可在市場上買到溫度范圍從0oC到160oC，范圍從1到50oC

LC熱成像系統(tǒng)（如圖8所示）可以提供非常有效的溫度測繪系統(tǒng)。

圖8：用于宏觀和微觀（低至1μm）表面溫度測量的thermVIEW?系統(tǒng)。 4

圖9顯示了LC熱成像的典型結(jié)果水平。

圖9：Tambient = 25oC時(shí)內(nèi)存芯片（5 x 5 mm）的溫度分布，如液晶熱成像所示。 sup》 3

與任何其他溫度測量系統(tǒng)一樣，LC熱成像提供了明顯的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。 LC熱成像的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是它不依賴于表面發(fā)射率。第二個(gè)是微米級和亞微米級，雖然不是一項(xiàng)微不足道的任務(wù)，但LC熱成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更輕松，更低成本的溫度測量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)1μm或更小的空間分辨率。 LC熱成像的一個(gè)缺點(diǎn)是它不是像IR那樣的拾取和測量系統(tǒng)。必須將校準(zhǔn)的液晶材料施加到表面上以進(jìn)行測量。然而，這與IR系統(tǒng)類似，因?yàn)槿绻麥y量表面具有多發(fā)射率（例如，模具或PCB），則需要使表面發(fā)射率均勻。

在本文中，我們回顧了六種不同的探針/溫度測量技術(shù)。如果沒有在校準(zhǔn)中加入一個(gè)詞，那將是錯(cuò)失的機(jī)會(huì)。無論使用何種類型的測量和傳感器，校準(zhǔn)都至關(guān)重要。特別注意校準(zhǔn)過程并確保傳感器已正確校準(zhǔn)。此外，需要確保所選擇的傳感器適合于測量類型。正如弗蘭克懷特教授在他的粘性流程書中指出的那樣，“糟糕的數(shù)據(jù)比沒有數(shù)據(jù)更差”。