摘要

準(zhǔn)確估算半導(dǎo)體器件的結(jié)溫，對(duì)于確保器件的可靠性和性能至關(guān)重要。本文是一份全面的指南，詳細(xì)介紹了如何準(zhǔn)確估算IC結(jié)溫。文中解釋了熱阻(θ)和熱特性參數(shù)(ψ)等熱參數(shù)的意義，并介紹了熱參數(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)有效熱管理的作用。本文重點(diǎn)說(shuō)明了不同參數(shù)之間的區(qū)別，并就如何在IC結(jié)溫估算中正確應(yīng)用參數(shù)提供了指導(dǎo)。此外，本文還討論了結(jié)溫估算中的常見(jiàn)錯(cuò)誤，并分享了有關(guān)如何提升熱測(cè)量精度的見(jiàn)解，從而為工程師優(yōu)化電子設(shè)計(jì)提供重要的知識(shí)儲(chǔ)備。

引言

準(zhǔn)確估算結(jié)溫對(duì)于確保半導(dǎo)體器件的可靠性、性能和壽命至關(guān)重要。結(jié)溫直接影響電子元件的效率、穩(wěn)定性和安全性。本文全面介紹了估算結(jié)溫的方法，并著重闡述了如何運(yùn)用熱阻和熱特性參數(shù)。通過(guò)這些估算方法，工程師可以實(shí)施有效的熱管理策略，提升器件性能，并降低過(guò)熱引起故障的風(fēng)險(xiǎn)。本文詳細(xì)解釋了基本熱參數(shù)，重點(diǎn)說(shuō)明了熱阻和熱特性參數(shù)的主要區(qū)別，并介紹了估算結(jié)溫的實(shí)用方法。文中還包括案例研究，用來(lái)驗(yàn)證這些估算方法的準(zhǔn)確性。無(wú)論是開(kāi)發(fā)新的電子系統(tǒng)還是優(yōu)化現(xiàn)有設(shè)計(jì)，本文提供的基本知識(shí)和工具都有助于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)熱測(cè)量，確保器件可靠運(yùn)行。

熱參數(shù)概述

了解熱阻和特性參數(shù)對(duì)于評(píng)估和比較電子封裝的熱性能至關(guān)重要。這些參數(shù)是實(shí)現(xiàn)有效熱管理和準(zhǔn)確估算結(jié)溫的關(guān)鍵因素。表1概要介紹了五個(gè)主要熱參數(shù)。

熱阻與熱特性參數(shù)

熱阻(θ)和熱特性參數(shù)(ψ)均與電子封裝的熱性能有關(guān)，并且都涉及到散熱和溫差等相似的概念，因此常常被混為一談。然而，這兩者的用途不同，推導(dǎo)條件也不同。熱阻定義為兩點(diǎn)（例如結(jié)至環(huán)境或結(jié)至外殼）之間的溫差除以功耗的結(jié)果，它高度依賴(lài)于PCB設(shè)計(jì)和氣流等特定條件。熱阻通常僅考慮單個(gè)主要的熱流路徑，因此可用于比較不同封裝的熱性能和設(shè)計(jì)散熱方案。而熱特性參數(shù)定義為結(jié)與特定點(diǎn)（例如封裝頂部或電路板）的溫差除以功耗的結(jié)果，它會(huì)考慮各種導(dǎo)熱路徑的綜合效應(yīng)。熱特性參數(shù)不太依賴(lài)于具體條件，在實(shí)際應(yīng)用中運(yùn)用這些參數(shù)可以更準(zhǔn)確地估算結(jié)溫。

表1.熱參數(shù)

例如，提取結(jié)到外殼（頂部）熱阻參數(shù)時(shí)，認(rèn)為所有封裝損耗都通過(guò)封裝的頂部消散，熱量通過(guò)單個(gè)主要路徑流動(dòng)。這些參數(shù)是通過(guò)仿真提取的，因此在仿真環(huán)境中設(shè)定了條件，使得所有熱量必須從頂部散發(fā)出去。這在實(shí)際應(yīng)用中不會(huì)發(fā)生，因?yàn)闊崃繒?huì)通過(guò)IC中的不同路徑消散。另一方面，提取結(jié)至外殼（頂部）熱特性參數(shù)時(shí)，則認(rèn)為對(duì)于IC中發(fā)生的損耗，只有一部分熱量流過(guò)封裝的頂部。它考慮了現(xiàn)實(shí)條件下所有可能的熱流路徑，因此更適合用來(lái)估算實(shí)際應(yīng)用中的結(jié)溫。圖1通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)化的示意圖，說(shuō)明了提取這兩種參數(shù)時(shí)熱流路徑的差異。請(qǐng)注意，此示意圖只是為了方便讀者理解，并沒(méi)有準(zhǔn)確描述實(shí)際的參數(shù)提取過(guò)程，也沒(méi)有準(zhǔn)確描繪封裝內(nèi)部的精確熱流路徑。

這兩種指標(biāo)之所以容易混淆，是因?yàn)樗鼈兌忌婕皽夭詈凸摹Ｈ欢?，它們有著不同的?yīng)用場(chǎng)合，并且受不同的因素影響。了解這些區(qū)別對(duì)于準(zhǔn)確估算溫度和實(shí)現(xiàn)有效的熱管理至關(guān)重要。

圖1.θJC和ψJT參數(shù)提取中的熱流路徑表示

結(jié)溫估算方法

有多種方法可用來(lái)估算封裝結(jié)溫。務(wù)必使用正確的熱參數(shù)來(lái)確保溫度估算準(zhǔn)確。下面討論兩種主要的結(jié)溫估算方法，可輕松應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)裝置。

方法1：利用結(jié)至環(huán)境熱阻(θJA)

說(shuō)明

此方法很實(shí)用，只需知道封裝的損耗，就能大致估算結(jié)溫，無(wú)需任何專(zhuān)用設(shè)備。

要求：

被測(cè)PCB上封裝的θJA值。

準(zhǔn)確測(cè)量運(yùn)行環(huán)境溫度和封裝的損耗。

公式：

挑戰(zhàn)：

θJA值高度依賴(lài)于PCB設(shè)計(jì)和氣流，考慮不周可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。

另一個(gè)關(guān)鍵方面是要準(zhǔn)確測(cè)量環(huán)境溫度和IC損耗。

方法2：利用結(jié)至外殼（頂部）熱特性(ψJT)

說(shuō)明

使用此方法可以準(zhǔn)確估算結(jié)溫，但需要額外的設(shè)備來(lái)測(cè)量封裝外殼溫度。當(dāng)封裝上使用散熱器時(shí)，不能使用這種方法來(lái)估算結(jié)溫。

要求：

被測(cè)PCB上封裝的ψJT值。

準(zhǔn)確測(cè)量外殼頂部溫度和封裝的功耗。

殼溫測(cè)量技術(shù)：

下面介紹兩種常用的封裝外殼溫度測(cè)量方法：

使用熱像儀：可以利用熱像儀觀測(cè)外殼溫度。此方法適用于室溫測(cè)量。準(zhǔn)確測(cè)量取決于熱像儀的精度和封裝損耗。

使用熱電偶：通過(guò)將熱電偶安裝在封裝外殼頂部，可以測(cè)量外殼溫度。此方法適用于所有溫度下的測(cè)量，尤其是當(dāng)封裝需要放置在熱箱中時(shí)。測(cè)量的準(zhǔn)確性主要取決于所使用的熱電偶和萬(wàn)用表。

公式：

挑戰(zhàn)：

準(zhǔn)確測(cè)量封裝外殼溫度對(duì)于精準(zhǔn)估算結(jié)溫至關(guān)重要。

將熱電偶安裝到封裝外殼頂部進(jìn)行溫度測(cè)量可能會(huì)有難度。

案例研究

本文討論的兩種方法通過(guò)工作臺(tái)測(cè)試進(jìn)行了驗(yàn)證。我們采用MAX25255來(lái)檢驗(yàn)測(cè)量的準(zhǔn)確性。該器件具有溫度傳感器引腳，可監(jiān)測(cè)IC裸片結(jié)溫。監(jiān)測(cè)結(jié)果可作為IC實(shí)際結(jié)溫的參考，幫助我們?cè)u(píng)估每種方法估算結(jié)溫的準(zhǔn)確程度。下表列出了JEDEC板和評(píng)估套件上IC封裝的不同熱參數(shù)。在測(cè)試中，我們使用4層MAX25255評(píng)估套件進(jìn)行工作臺(tái)驗(yàn)證。

表2.MAX25255封裝信息

測(cè)試用例的運(yùn)行條件如下：

VIN = 12 V，VOUT = 3.3 V，IOUT = 8 A，fsw = 2100 kHz，Tamb = 25°C

效率 = 92.3%，IC損耗 = 1.7 W

裸片結(jié)溫（通過(guò)TEMP引腳測(cè)量）= 57.3°C

使用不同技術(shù)來(lái)估算結(jié)溫，了解估算結(jié)果與實(shí)際裸片溫度的吻合度。

案例1：使用θJA

使用此方法計(jì)算封裝結(jié)溫時(shí)無(wú)需專(zhuān)用設(shè)備，有助于避免因設(shè)備校準(zhǔn)問(wèn)題引起的測(cè)量誤差。只需將不同參數(shù)的值代入公式中即可計(jì)算出結(jié)溫。對(duì)于被測(cè)IC，用此方法估算的結(jié)溫如公式3所示。

這里估算的結(jié)溫為56.45°C，接近TEMP引腳測(cè)量的實(shí)際結(jié)溫。測(cè)量誤差約為0.85°C (1.5%)。準(zhǔn)確測(cè)量環(huán)境溫度和IC損耗，對(duì)于有效降低結(jié)溫估算誤差至關(guān)重要。例如，僅0.1 W的IC損耗計(jì)算偏差，就足以使結(jié)溫改變1.85°C (3.3%)。

案例2：使用ψJT和熱像儀（測(cè)量外殼溫度）

此方法使用熱像儀來(lái)測(cè)量IC外殼頂部溫度。本例使用的熱像儀是E60BX，其精度為±2°C或±2%（取較大者）。讓轉(zhuǎn)換器運(yùn)行15至20分鐘，確保IC結(jié)溫穩(wěn)定。圖2顯示了測(cè)得的IC最大外殼溫度。

圖2.MAX25255 IC外殼頂部溫度測(cè)量的熱圖像

熱像儀測(cè)得的殼溫為56.1°C。公式4用于計(jì)算結(jié)溫。

這里估算的結(jié)溫為57.09°C，與TEMP引腳測(cè)量的實(shí)際結(jié)溫非常接近。測(cè)量誤差約為0.21°C (0.37%)。該誤差在測(cè)量所用的熱像儀的精度范圍內(nèi)。在本例中，相較于IC損耗計(jì)算，準(zhǔn)確估計(jì)外殼溫度更為重要。例如，即使IC損耗計(jì)算偏差0.5 W，結(jié)溫測(cè)量也僅偏差0.29°C/W (0.5%)。這是使用ψJT相比使用θJA的一大優(yōu)勢(shì)。

案例3：使用ψJT和熱電偶

與案例2相比，此方法使用熱電偶來(lái)測(cè)量封裝外殼溫度。需要根據(jù)應(yīng)用的具體要求，選擇合適的熱電偶。本例選擇K型熱電偶，其精度為2.2°C或0.75%（取較大者）。將熱電偶正確安裝到封裝外殼是確保測(cè)量準(zhǔn)確的關(guān)鍵，可以使用導(dǎo)熱膏或?qū)崮z。確保導(dǎo)熱膏或?qū)崮z的額定溫度高于待測(cè)封裝所用的溫度。本例使用導(dǎo)熱材料TC3-1G。使用導(dǎo)熱膏將熱電偶安裝到IC的頂部，確保熱接觸良好（圖3）。

圖3.使用導(dǎo)熱膏將熱電偶安裝到MAX25255 IC外殼頂部

熱電偶連接到Fluke 52 II溫度計(jì)，其精度為±[0.05% + 0.3°C]。讓轉(zhuǎn)換器運(yùn)行15至20分鐘，確保IC結(jié)溫穩(wěn)定，然后讀取溫度計(jì)上的讀數(shù)。在本例中，溫度計(jì)讀數(shù)為58°C。公式5用于計(jì)算結(jié)溫。

這里估算的結(jié)溫為58.98°C，不如前兩種技術(shù)準(zhǔn)確。測(cè)量誤差約為1.68°C (2.93%)。外殼溫度測(cè)量誤差增大的原因是該技術(shù)使用了更多器件（熱電偶、導(dǎo)熱膏和溫度計(jì)）。此誤差仍在所涉及的不同設(shè)備的組合測(cè)量精度范圍內(nèi)。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)封裝放置在熱箱中時(shí)，也能使用該方法來(lái)估算結(jié)溫。

這三個(gè)案例研究驗(yàn)證了所討論的封裝結(jié)溫估算技術(shù)。使用θJA無(wú)需專(zhuān)用設(shè)備就能方便地獲得一個(gè)近似值，但使用ψJT可以給出更準(zhǔn)確的估計(jì)。與高度依賴(lài)于PCB設(shè)計(jì)的θJA相比，使用熱特性參數(shù)可以更精準(zhǔn)地估算實(shí)際應(yīng)用中的結(jié)溫。為了更好地了解這種區(qū)別，可以比較表2中MAX25255在JEDEC電路板和評(píng)估套件上的θJA和ψJT的數(shù)值。請(qǐng)注意，這兩片電路板的θJA差異接近9°C/W，而ψJT僅相差0.02°C/W。

結(jié)論

本文全面介紹了關(guān)鍵熱參數(shù)，包括熱阻(θ)和熱特性參數(shù)(ψ)，并闡述了它們?cè)跍?zhǔn)確估算溫度方面的作用。文中詳細(xì)說(shuō)明了估算無(wú)散熱器封裝結(jié)溫的兩種主要方法：使用結(jié)至環(huán)境熱阻(θJA)和使用結(jié)至外殼（頂部）熱特性參數(shù)(ψJT)。每種方法都有其特定的要求、程序步驟和難點(diǎn)。通過(guò)幾個(gè)案例研究展示了這些方法的實(shí)際應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)了精準(zhǔn)測(cè)量的重要性和不同技術(shù)對(duì)估算準(zhǔn)確度的影響。為了獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，實(shí)際應(yīng)用中最好使用ψJT，而不是θJA。

本文還討論了結(jié)溫估算中的常見(jiàn)錯(cuò)誤，例如誤解熱參數(shù)、錯(cuò)誤使用θJA、損耗計(jì)算誤差和殼溫測(cè)量不當(dāng)?shù)?。設(shè)計(jì)人員若能避免這些錯(cuò)誤，就能提升熱評(píng)估的準(zhǔn)確度?？傊?，本文討論的技術(shù)可能無(wú)法絕對(duì)精準(zhǔn)地確定封裝溫度，但通過(guò)透徹了解熱指標(biāo)并仔細(xì)選擇估算技術(shù)，就可以提高熱測(cè)量的準(zhǔn)確性。