半導(dǎo)體器件并不完美——所有二極管和晶體管都因開(kāi)關(guān)和導(dǎo)通而產(chǎn)生功率損耗。開(kāi)關(guān)損耗發(fā)生在結(jié)的通斷狀態(tài)之間的間隔期間，此時(shí)器件端子上既有電壓又有電流流過(guò)。傳導(dǎo)損耗是由于設(shè)備的內(nèi)部電阻造成的，無(wú)論它有多低，都會(huì)在電流流動(dòng)時(shí)導(dǎo)致功率損耗。即使在關(guān)斷狀態(tài)下，由于晶體管泄漏電流造成的損耗在微處理器等必須使用小幾何工藝以便將數(shù)百萬(wàn)個(gè)晶體管封裝到單個(gè)集成電路中的設(shè)備中也可能是顯著的。

不管是什么原因，半導(dǎo)體器件中的損耗都會(huì)產(chǎn)生熱量，如果要將結(jié)溫保持在可接受的限度內(nèi)以使器件正確運(yùn)行，則必須將熱量散發(fā)出去。半導(dǎo)體器件的封裝進(jìn)一步使散熱方式復(fù)雜化，因此了解所涉及的各種工藝以及器件數(shù)據(jù)表中提供熱信息的方式非常重要。

本文將著眼于通常散熱的機(jī)制，旨在了解這些機(jī)制以何種方式應(yīng)用于半導(dǎo)體設(shè)備，以及半導(dǎo)體制造商如何指定其產(chǎn)品的熱性能。使用數(shù)據(jù)表中提供的熱信息可能產(chǎn)生的不準(zhǔn)確性將與確定器件關(guān)鍵結(jié)溫的替代方法一起突出顯示。

散熱機(jī)制

電子設(shè)備散熱的三種基本機(jī)制是：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。對(duì)于封裝的半導(dǎo)體器件，大部分熱量將通過(guò)傳導(dǎo)傳遞：從器件核心處的熱源通過(guò)半導(dǎo)體襯底、芯片所連接的引線框架，以及通過(guò)封裝器件的模塑材料到其內(nèi)部。外表面。此時(shí)，熱量可以通過(guò)與設(shè)備接觸的任何固體材料（例如印刷電路板或外部散熱器）的傳導(dǎo)而進(jìn)一步傳遞。

對(duì)流定義為通過(guò)流體（可以是液體或氣體）傳遞熱量，就像在周?chē)目諝庵幸粯?。這種機(jī)制在很大程度上解釋了剩余熱量散發(fā)到周?chē)h(huán)境中的原因。輻射傳熱很少是電子產(chǎn)品傳熱的重要機(jī)制，并且計(jì)算復(fù)雜，因?yàn)樗粌H取決于溫差，還取決于物體之間的距離以及表面的顏色和紋理等因素。

雖然從源到環(huán)境的有效熱傳遞是目標(biāo)，但更常見(jiàn)的是通過(guò)考慮熱流的倒數(shù)來(lái)確定散熱，即這些點(diǎn)之間的熱阻。通常，該數(shù)字將由端點(diǎn)和一個(gè)或多個(gè)中間點(diǎn)之間的熱阻組成，具體取決于熱傳遞機(jī)制和所涉及的材料。

半導(dǎo)體制造商提供封裝器件的熱阻值作為設(shè)計(jì)輔助，以幫助確定其功率處理能力。該圖通常以結(jié)到環(huán)境熱阻的形式給出，旨在允許計(jì)算可以在器件內(nèi)部安全耗散的功率量，而無(wú)需將其結(jié)溫 （Tj） 提高到其指定最大值以上。例如，對(duì)于在 25°C 環(huán)境溫度 （Ta） 下運(yùn)行的器件，其結(jié)到環(huán)境熱阻 Rth （JA） 為 150°C /W，指定的最大結(jié)溫 Tj 為150°C，最大功率（Pmax）可以使用以下公式計(jì)算：

Pmax = （Tj （max） – Ta）/Rth （JA） = （150-25）/150 = 0.83W

注意：這是假設(shè)器件安裝在與數(shù)據(jù)表中定義的 Rth（JA） 相同的條件下。

與此公式相反，可以通過(guò)了解器件內(nèi)部消耗的功率以及 Rth （JA） 和 Ta 值來(lái)計(jì)算 Tj。

有時(shí)制造商會(huì)提供替代或附加的熱阻值，可以以類(lèi)似的方式使用這些值來(lái)計(jì)算工作結(jié)溫。這些可能包括結(jié)到外殼（封裝頂部）的值 Rth （JC） 和結(jié)到引線的值（結(jié)到引線框架的焊接點(diǎn)） Rth（JL） – 參見(jiàn)圖 1。

圖 1. PowerDI5? 封裝顯示 Tc（外殼溫度）和 Tl（引線溫度）的溫度測(cè)量點(diǎn)

試圖測(cè)量特定熱流路徑（如結(jié)到外殼或結(jié)到引線）的熱阻是復(fù)雜的，因?yàn)榘雽?dǎo)體結(jié)處耗散的功率通過(guò)許多平行的熱流路徑離開(kāi)封裝。它們中的每一個(gè)都具有特定的熱阻，其值取決于該路徑的尺寸和熱導(dǎo)率。因此，一個(gè)有意義的熱阻值取決于 1）如何準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)和外殼（或引線）處的溫度，以及 2）確定在結(jié)和測(cè)量之間流動(dòng)的半導(dǎo)體結(jié)處產(chǎn)生的總熱量的比例點(diǎn)（即，案例的頂部或引線）。

在實(shí)踐中，即使使用非接觸式紅外儀器，在所需測(cè)量點(diǎn)獲得準(zhǔn)確的溫度也很困難。相反，可以使用以下 JEDEC （JESD51-12） 標(biāo)準(zhǔn)方法之一來(lái)確定 Rth （JC） 或 Rth （JL） 的熱阻值。

方法一：Rth（JX_?）

此方法旨在確定結(jié)與特定關(guān)注點(diǎn)“X”之間的熱流路徑的熱阻，該關(guān)注點(diǎn)可能是封裝頂部、焊接點(diǎn)等。方法 1 假設(shè)所有功率耗散在 ‘X’ 點(diǎn)使用有效的散熱裝置迫使結(jié)點(diǎn)處通過(guò)感興趣的點(diǎn)。然后通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)量該點(diǎn) （Tx） 的溫度，可以計(jì)算出真實(shí)的熱阻：

Rth（JX_?） = （Tj –Tx） / P

其中 P 是從結(jié)流向“X”點(diǎn)的耗散功率（熱量）。理想情況下，在此測(cè)量過(guò)程中，接近 100% 的功率應(yīng)從結(jié)流向“X”點(diǎn)。該數(shù)字僅取決于熱流路徑的物理特性，與耗散的功率量或設(shè)備安裝的電路板尺寸無(wú)關(guān)。

Diodes Incorporated 在其數(shù)據(jù)表中提供的結(jié)至引線熱阻值是使用方法 1 測(cè)量的。該值與電路板尺寸無(wú)關(guān)，因此有助于比較各種封裝的引線框架的熱性能。

方法二：Rth（JX_?）

該方法提供了一個(gè)熱特性參數(shù)，不應(yīng)與熱阻混淆。它是使用類(lèi)似于方法 1 中使用的公式計(jì)算得出的：

Rth（JX_?） = （Tj –Tx） / P

使用這種方法，由于沒(méi)有使用額外的散熱裝置來(lái)轉(zhuǎn)移大部分產(chǎn)生的熱量通過(guò)感興趣的路徑，因此在計(jì)算中使用了總耗散功率值，而不是在結(jié)和點(diǎn)“X”之間流動(dòng)的分?jǐn)?shù)。這導(dǎo)致 Rth（JX_?） 的絕對(duì)值較低。

Diodes Incorporated 在其數(shù)據(jù)表中提供的結(jié)殼熱阻值是使用方法 2 測(cè)量的，這就是為什么隨后在本文中將 Rth（JC） 更準(zhǔn)確地稱為 ?th（JC） 的原因。

確定結(jié)溫 （Tj）：

使用 Rth（JA）、Rth（JL） 或 ?th（JC） 準(zhǔn)確確定器件的結(jié)溫 （Tj） 取決于能否在理想數(shù)據(jù)表?xiàng)l件下測(cè)量環(huán)境、引線或外殼溫度。在現(xiàn)實(shí)中，一個(gè)設(shè)備通常會(huì)安裝在一個(gè)擠滿了其他設(shè)備和組件的電路板上；此外，連接到引線框架標(biāo)簽的銅量可能與數(shù)據(jù)表的條件不匹配，從而限制了這些參數(shù)的有用性，如下所述：

圖表 1 至 3，在 PowerDI 封裝上測(cè)量（如圖 1 所示），分別顯示了結(jié)溫與 ?th（JC）、Rth（JL） 和 Rth（JA） 之間的關(guān)系，在不同的散熱器條件下：1） 2 英寸 * 2 英寸鋁板和 2） 最小推薦焊盤(pán) （MRP） 布局。

圖 1.?th（JC） 與 Tj

圖 2. Rth（JL） 與 Tj

圖 3. Rth（JA） 與 Tj

圖 4. Tc 與 Tj

Rth（JA） 。..如圖 3 所示，Rth（JA） 隨結(jié)溫的變化很小，但不同散熱器的影響更為顯著。因此，在使用數(shù)據(jù)表 Rth（JA） 值時(shí)，必須注意確保實(shí)際應(yīng)用中的器件安裝條件接近數(shù)據(jù)表中所述的條件。在使用 Rth（JA） 估算結(jié)溫時(shí)，散熱器布置的差異（連接到器件引線框架接頭的散熱器的體積和導(dǎo)電率）可能會(huì)導(dǎo)致顯著錯(cuò)誤。

Rth（JL） …該值是根據(jù) JEDEC （JESD51-12） 方法 1 測(cè)量的，并且只能用于 1） 如果每隔一個(gè)路徑中的熱流變得微不足道，以及 2） 準(zhǔn)確測(cè)量引線溫度。為了使用這種方法測(cè)量數(shù)據(jù)表中的 Rth（JL） 值，需要在引線框架接線片上連接一個(gè)大型散熱器，以確保來(lái)自結(jié)的大部分熱量從引線框架接線片流出到散熱器中。在實(shí)踐中，這種情況很少發(fā)生，因?yàn)闀?huì)有其他平行的熱流路徑會(huì)降低 Rth（JL） 的精度。圖 2 顯示了使用實(shí)際尺寸散熱器時(shí) Rth（JL） 對(duì)散熱器的依賴性。因此，數(shù)據(jù)表中的 Rth（JL） 值實(shí)際上只能提供不同制造商封裝引線框架的導(dǎo)熱能力的比較。

?th（JC） …該值是根據(jù) JEDEC （JESD51-12） 方法 2 測(cè)量的，并使用 1） 結(jié)與外殼上的測(cè)量點(diǎn)（通常是封裝的中心）之間的溫差和 2） 總功耗設(shè)備，但不是在結(jié)點(diǎn)和外殼上的測(cè)量點(diǎn)之間流動(dòng)的功率。由于這個(gè)原因，這個(gè)值不應(yīng)被視為真正的熱阻，而只是一個(gè)熱參數(shù)，因此只能用于各種封裝之間的比較。圖 1 顯示該值不僅取決于散熱器的尺寸，還取決于工作結(jié)溫。由于器件周?chē)目諝鈱?duì)流，該值隨著結(jié)溫的升高而降低。即使在靜止的空氣條件下進(jìn)行測(cè)量，設(shè)備的熱表面仍會(huì)導(dǎo)致空氣循環(huán)，從而產(chǎn)生對(duì)流效應(yīng)。與 Rth（JA） 和 Rth（JL） 相比，?th（JC） 通常是較小的值，因此對(duì)流效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致其值的比例變化更大，使其顯得更顯著。因此，不應(yīng)無(wú)條件地使用該值來(lái)嘗試確定實(shí)際應(yīng)用中的結(jié)溫。然而，?th（JC） 的絕對(duì)值越低，也意味著計(jì)算結(jié)溫的誤差也很低。因此，不應(yīng)無(wú)條件地使用該值來(lái)嘗試確定實(shí)際應(yīng)用中的結(jié)溫。然而，?th（JC） 的絕對(duì)值越低，也意味著計(jì)算結(jié)溫的誤差也很低。因此，不應(yīng)無(wú)條件地使用該值來(lái)嘗試確定實(shí)際應(yīng)用中的結(jié)溫。然而，?th（JC） 的絕對(duì)值越低，也意味著計(jì)算結(jié)溫的誤差也很低。

圖 4提出了一種替代方法，可用作在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中更準(zhǔn)確地確定器件結(jié)溫的工具。這種方法從等式中消除了不同散熱器的影響。但是，在測(cè)量外殼溫度時(shí)必須小心，因此 1） 建議使用非接觸式熱測(cè)量?jī)x器，并且 2） 外殼上的測(cè)量點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近其表面中心。

結(jié)論

上述結(jié)果表明，使用制造商數(shù)據(jù)表中常見(jiàn)的各種熱阻參數(shù)（結(jié)到外殼、引線或環(huán)境）來(lái)確定半導(dǎo)體器件的結(jié)溫在很大程度上取決于散熱器的布置。相反，圖 4 顯示了結(jié)溫和外殼溫度之間更密切的相關(guān)性，這種相關(guān)性對(duì)任何散熱器的尺寸或有效性的依賴性要小得多。因此，如果可以在實(shí)際應(yīng)用電路板上以相同的方式測(cè)量外殼溫度，則類(lèi)似于圖 4 的圖表是確定器件結(jié)溫的最準(zhǔn)確工具。