簡(jiǎn)介

瞬態(tài)熱阻抗用于衡量器件被施加脈沖功率時(shí)的表現(xiàn)，它決定了器件在低占空比和低頻脈沖負(fù)載下的表現(xiàn)方式，因此非常重要。

IC 封裝有許多熱指標(biāo)，例如 θJA?和 ΨJT。這些參數(shù)使穩(wěn)態(tài)下的結(jié)溫估算變得非常簡(jiǎn)單。本文將討論熱瞬態(tài)行為以及熱阻抗的相關(guān)基本理論。

熱參數(shù)概述

倒裝芯片封裝的熱特性由參數(shù) θJA、ΨJT?和 ΨJB?表征。θJA?是結(jié)至環(huán)境熱阻（以 °C/W 為單位），它是系統(tǒng)級(jí)參數(shù)，在很大程度上取決于系統(tǒng)屬性，如安裝該器件的 PCB 設(shè)計(jì)及布局。其中，電路板被當(dāng)作焊接到器件引線上的散熱器。對(duì)自然對(duì)流傳熱而言，90% 以上的熱量都由電路板散發(fā)，而不是從封裝表面散發(fā)。 θJA?可通過(guò)公式（1）來(lái)計(jì)算：

其中，TJ?為結(jié)溫（°C），TA?為環(huán)境溫度（°C），PD?為器件的散熱量（W）。

ΨJT?是表征 TJ?與封裝頂部溫度之間溫度變化的特性參數(shù)（以 °C/W 為單位）。由于從芯片流向封裝頂部的熱量未知，所以 ΨJT?并不是真正的結(jié)至頂部熱阻，但電路設(shè)計(jì)人員常假定它是器件的總功率。盡管該假設(shè)是無(wú)效，但 ΨJT?仍是一個(gè)有用的參數(shù)，因?yàn)槠涮匦耘c IC 封裝的應(yīng)用環(huán)境極為相似。例如，較薄的封裝具有較小的 ΨJT?值。

但要注意，ΨJT?會(huì)根據(jù)電路板結(jié)構(gòu)和氣流條件的不同而略有不同。利用公式（2）可估算 ΨJT：

其中，TJ?為結(jié)溫（°C），TA?為環(huán)境溫度（°C），PD?為器件的散熱量（W）。

ΨJT?是表征 TJ?與封裝頂部溫度之間溫度變化的特性參數(shù)（以 °C/W 為單位）。由于從芯片流向封裝頂部的熱量未知，所以 ΨJT?并不是真正的結(jié)至頂部熱阻，但電路設(shè)計(jì)人員常假定它是器件的總功率。盡管該假設(shè)是無(wú)效，但 ΨJT?仍是一個(gè)有用的參數(shù)，因?yàn)槠涮匦耘c IC 封裝的應(yīng)用環(huán)境極為相似。例如，較薄的封裝具有較小的 ΨJT?值。

但要注意，ΨJT?會(huì)根據(jù)電路板結(jié)構(gòu)和氣流條件的不同而略有不同。利用公式（2）可估算 ΨJT：

而有了 ΨJB?，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員就可以根據(jù)測(cè)得的電路板溫度來(lái)計(jì)算器件的結(jié)溫。ΨJB?指標(biāo)應(yīng)接近 θJB，因?yàn)?PCB 已耗散了大部分的器件熱量。TJ?的計(jì)算公式（3）如下：

其中，TPCB?是接近封裝裸焊盤處的電路板溫度（°C）。

圖 1 解釋了什么是結(jié)至環(huán)境熱阻。

通過(guò)降低 PCB 散熱平面的電阻可以實(shí)現(xiàn)較低的 θJA?。以傳導(dǎo)為主要傳熱方法（這意味著對(duì)流冷卻法受限）的應(yīng)用中，PCB 的電源平面面積對(duì) θBA?的影響最為顯著。

熱特性

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等應(yīng)用中，高功率脈沖寬度都限制在幾十或幾百毫秒以內(nèi)，這意味著設(shè)計(jì)人員必須重視熱容的影響。如果熱容足夠大，它可以將結(jié)溫控制在器件的額定值范圍之內(nèi)，即使存在高耗散峰值也是如此。因此，恰當(dāng)?shù)纳峁芾砜商岣咂骷男阅芘c可靠性。

熱量的傳遞有三種方式：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。

傳導(dǎo)

傳導(dǎo)是一種重要的傳熱方式，因?yàn)樽罱K熱量是通過(guò)表面面積散發(fā)的。通過(guò)傳導(dǎo)，熱量才能散布到所需的表面。通過(guò)傳導(dǎo)進(jìn)行的熱傳遞遵循傅立葉定律，該定律指出，通過(guò)材料的熱流率與材料的橫截面積以及材料兩端的溫差成正比；相反，熱流與材料的厚度成反比。有些材料（例如銅）相比其他材料（例如 FR4）導(dǎo)熱更快。表 1 顯示了不同材料的導(dǎo)熱系數(shù) (K)。這些常見(jiàn)的材料具有明顯不同的導(dǎo)熱系數(shù)。

對(duì)流

對(duì)流是將熱量從材料表面?zhèn)鬟f到空氣中的方法。溫升是功率耗散造成的結(jié)果，它與表面積和熱傳遞系數(shù) (h) 成反比。h 則是風(fēng)速以及電路板與環(huán)境空氣之間溫差的函數(shù)。

輻射

熱輻射包括通過(guò)電磁波傳遞熱量。其熱流率與表面積成正比，與輻射元件（例如電路板、組件）溫度的四次方成正比。

通過(guò)傳導(dǎo)進(jìn)行熱傳遞最適于高功率應(yīng)用中的半導(dǎo)體。作為 IC 封裝的熱性能的標(biāo)準(zhǔn)描述，θJA?在脈沖應(yīng)用中作用不大，甚至還會(huì)導(dǎo)致冗余或高成本的散熱設(shè)計(jì)。

但通過(guò)結(jié)合熱阻和熱容，可以對(duì)器件的完整熱阻抗進(jìn)行建模。

熱容 (CTH) 是衡量組件積熱能力的指標(biāo)，它類似于電容積累電荷的方式。對(duì)于給定結(jié)構(gòu)的元素，CTH?取決于比熱 (c)、體積 (V) 和密度 (d)。其計(jì)算公式 (4) 如下（以 J/°C 為單位）：

一個(gè)特定應(yīng)用的熱行為（包括有源器件、封裝、PCB 和外部環(huán)境）在電氣域可類比為一串 RC 單元，每個(gè)單元都有一個(gè)特征時(shí)間常數(shù) (τ)。 該常數(shù)可用公式（5）計(jì)算：

圖 2 通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)化的電氣模型展示了每個(gè)單元如何影響封裝器件的瞬態(tài)熱阻抗。

脈沖功率操作

當(dāng)功率器件承受脈沖負(fù)載時(shí)，它可以支持更高的峰值功率耗散。功率封裝具有一定的熱容量，這意味著即使器件消耗過(guò)多功率，也不會(huì)立即達(dá)到臨界 TJ。對(duì)于間歇操作，功率耗散的限制可能會(huì)延長(zhǎng)。延長(zhǎng)的時(shí)間取決于操作周期的持續(xù)時(shí)間（也稱為脈沖持續(xù)時(shí)間）和操作發(fā)生的頻率（也稱為占空因數(shù)）。

如圖 3 所示，器件一旦上電，芯片會(huì)立即開(kāi)始升溫。

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