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熱阻參數(shù)介紹

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    表征封裝器件的熱性能的常見方法是用“熱阻”表示,用希臘字母“θ (theta)”或字母R(本文中用θ)表示。對于半導(dǎo)體器件,熱阻表示在芯片表面耗散的熱量對芯片結(jié)溫的穩(wěn)態(tài)溫度的上升。
    隨著對更小,更快和更高功率器件的持續(xù)工業(yè)趨勢,熱管理變得越來越重要。不僅設(shè)備趨向于小型化,而且安裝在其上的電路板也在縮小。將器件單元盡可能靠近地放置在更小的板上有助于降低整個系統(tǒng)尺寸和成本,并提高電氣性能。這些改善當(dāng)然很重要,但從熱的角度來看,在減小尺寸的同時提高功率會帶來更多的散熱挑戰(zhàn)。正是這種“功率密度”的提高推動了業(yè)界對熱管理的高度重視。
    為了幫助板級和系統(tǒng)級設(shè)計人員,芯片廠家會產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中提供標(biāo)準(zhǔn)化的熱阻數(shù)據(jù),最常見的是Theta-JA。本文內(nèi)容有助于理解和使用這些熱阻或“theta”。同時還討論了稱為“psi”的幾個熱特性參數(shù)。
      
熱阻的概念:
    表征封裝器件的熱性能的常見方法是用“熱阻”表示,用希臘字母“θ (theta)”或字母R(本文中用θ)表示。對于半導(dǎo)體器件,熱阻表示在芯片表面耗散的熱量對芯片結(jié)溫的穩(wěn)態(tài)溫度的上升。其單位為℃/W。
    最常見的例子是Theta-JA(結(jié)到環(huán)境熱阻),Theta-JC(結(jié)到殼熱阻)和Theta-JB(結(jié)到板熱阻)。當(dāng)知道參考(即環(huán)境,箱子或板)溫度,功耗以及相關(guān)的θ值時,可以計算結(jié)溫。 Theta-JA通常用于安裝在環(huán)氧基PCB上的部件的自然和強(qiáng)制對流空氣冷卻系統(tǒng)。當(dāng)封裝具有直接安裝到PCB或散熱器的高導(dǎo)熱封裝時,Theta-JC非常有用。而Theta-JB則適用于與封裝相鄰的板的溫度已知時的應(yīng)用場景。除了這些Theta熱阻之外,psi-JB(結(jié)到板)和psi-JT(結(jié)到頂部)熱特性參數(shù)有時也是比較有用的。對于在板上通電的器件,這些psi信息顯示圖結(jié)溫和電路板溫度或“封裝頂部”溫度之間的相關(guān)性。術(shù)語“psi”用于將它們與“θ”熱阻區(qū)分開,因?yàn)棣炔皇撬械臒釋?shí)際上在溫度測量點(diǎn)與psi之間流動。 由于這個原因,所以它們不是真正的熱阻,而是熱特性參數(shù)。
相關(guān)術(shù)語

•TJ = 結(jié)溫,℃

•TC = 封裝殼溫,℃

•TB =與封裝相鄰的板溫度,℃

•TT =包裝頂部溫度中心,℃

•TA =環(huán)境空氣溫度,℃

•θJA(Theta-JA)=熱阻結(jié)到環(huán)境溫度,℃/W

•θJC(Theta-JC)=熱阻結(jié)至外殼,℃/W

•θJB(Theta-JB)=熱阻結(jié)對板,℃/ W

•ΨJB(Psi-JB)=結(jié)到板表征參數(shù),℃/ W

•ΨJT(Psi-JT)=結(jié)到封裝)特性參數(shù),℃/W

•P =器件消耗的功率,W




定義:θJA=(TJ-TA)/ P

θJA=結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的熱阻,℃ / W

TJ =結(jié)點(diǎn)溫度,℃

TA =環(huán)境空氣溫度,℃

P =器件功耗,W

示例:為了確定theta-JA,所需的實(shí)驗(yàn)室測試或模型數(shù)據(jù)是TJ,TA和P.如果TJ = 80℃,TA = 25℃,并且P= 1.0W,則:

θJA=(80℃-25℃)/ 1.0W = 55℃/ W。


用法公式:

在θJA,TA和P已知的情況下,則:TJ = TA +(θJA* P)

示例:如果Theta-JA = 55℃ / W,假設(shè)系統(tǒng)中Ta = 35℃,并且穩(wěn)態(tài)功率的器件是P = 0.6W,則:TJ = 35℃+(55℃/ W * 0.6W)= 68℃

θJA的要點(diǎn):

•表示熱流通過發(fā)熱結(jié)和環(huán)境空氣之間的路徑的難易程度。

•θJA主要用于一個封裝器件與另一個封裝器件的性能比較。

•較低的值表示更好的性能。

•由于θJA高度依賴于電路板設(shè)計,因此測試時必須基于使用標(biāo)準(zhǔn)化的測試板。

θJA參數(shù)的應(yīng)用

可以認(rèn)為,在標(biāo)準(zhǔn)化測試中θJA表現(xiàn)更好的設(shè)備,在類似設(shè)計的實(shí)際系統(tǒng)中也將表現(xiàn)更好。這有助于選擇組件或封裝設(shè)計,但是當(dāng)將供應(yīng)商的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)參數(shù)擴(kuò)展到終端應(yīng)用時,請務(wù)必記住,它們是基于特定的測試條件的。

但是不能認(rèn)為將θja值(對于標(biāo)準(zhǔn)測試板上的單個器件)用于預(yù)測器件在最終應(yīng)用板上的溫度上升。真實(shí)性能將受到很多實(shí)際因素的影響。


定義:θJC=(TJ-TC )/ P

θJC=結(jié)至外殼的熱阻,℃/ W

TJ =結(jié)點(diǎn)溫度,℃

TC = 殼溫,℃

P =器件功耗,W

應(yīng)用公式:

在θJC,TC和P已知的情況下,則:TJ = TC +(θJC* P)

θJC的要點(diǎn):

•表示在發(fā)熱結(jié)與封裝頂部或底部之間熱量的傳遞能力。

•測量時將封裝頂部或底部表面安裝到散熱片上。如果未明顯指出位置,應(yīng)說明測試時所應(yīng)用的表面。

•θJC值適用于:

- 一個封裝器件的性能比較(較低的值表示較好的性能)。

- TJ的計算。

- 計算整體熱阻

θJC作為熱阻的一部分,一般與下面參數(shù)有關(guān):

- 頂部或底部安裝到外部散熱器的塑料封裝。

- 帶底部電極墊的塑料封裝,焊接到熱增強(qiáng)型PCB。

- 安裝在外部散熱器上的陶瓷和金屬外殼封裝。

•主要取決于θJC熱流路徑中器件材料的厚度,面積和導(dǎo)熱系數(shù)。


定義:θJB=(TJ-TB) / P

θ
JB=結(jié)到板的熱阻,℃ / W

TJ =結(jié)點(diǎn)溫度,℃

TB =
與封裝相鄰的板溫度,℃

P =器件消耗的功率,W

應(yīng)用公式:

在θ
JB,TB和P已知的情況下,則:TJ = TB +(θJB* P)

θ
JB的要點(diǎn):

•數(shù)據(jù)表θ
JB值適用于:

-
一個封裝設(shè)備與另一個封裝設(shè)備的性能比較。

-
應(yīng)用PCB上的器件的TJ上升高于Tb的計算。

-
計算整體熱阻


定義:Ψ
JB=(TJ-TB)/ P

Ψ
JB(Psi-JB)=結(jié)到板表征參數(shù),℃ / W

TJ =結(jié)點(diǎn)溫度,℃

TB =與封裝相鄰的板溫度,℃

P =器件消耗的功率,W

用途:了解Ψ
JB,獲得在應(yīng)用PCB上通電的器件的TJ:

1
)在一側(cè)中心的銅跡線上測量封裝邊緣附近的板溫度。

2)確定器件消耗的功率。

3)計算:TJ = TB +(ΨJB* P)

ΨJB的要點(diǎn):

•特性參數(shù),而不是“真實(shí)”熱阻。

•用于計算應(yīng)用PCB上器件的TJ上升超過TB。

•JESD51-6θJA標(biāo)準(zhǔn)中的可選測試。

•通常使用
1S2P或1S2P + Vias板測量。

Ψ
JB對θJB:

希臘字母“
psi”用于區(qū)分ΨJB和θJB,因?yàn)椴⒉皇撬械臒崃繉?shí)際上在溫度測量點(diǎn)(即結(jié)點(diǎn)和板)之間流動,類似于θJB。
這是因?yàn)棣?/font>
JB測試的設(shè)置不會像θJB那樣強(qiáng)制所有熱流從板子流過。
因此,Ψ
JB不是“真正的”熱阻。

使用Ψ
JB測試,器件熱量可以從封裝頂部和底面同時散出;
因此Ψ
jb將總是具有比θJB小的值。
然而,事實(shí)證明,對于大多數(shù)常見的中小型包裝,這兩個值將是相似的
- 通常在15%內(nèi)。
因此,有時報告Ψ
JB代替θJB。



定義:ΨJT=(TJ-TT)/ P

Ψ
JT(Psi-JT)=結(jié)到(封裝)特性參數(shù),℃ / W

TJ =結(jié)點(diǎn)溫度,℃

TT =
封裝頂部溫度中心,℃

P =器件功耗,W

用途:了解Ψ
JT,獲得在PCB器件的TJ:

1)測量中心處的Top_of_package溫度。

2)確定器件消耗的功率。

3)計算:TJ = TT +(ΨJT* P)

Ψ
JT的要點(diǎn):

•熱特性參數(shù),而不是“真實(shí)”熱阻。

•用于計算TJ。

Ψ
JT和θJC:

值得注意的是,Ψ
JT與θJC不同,只有當(dāng)封裝表面安裝到散熱器上時才適用。
測試方法和結(jié)果值是非常不同的。
事實(shí)上,如果在同一封裝上測量Ψ
JT和θJC(在頂表面處),則ΨJT通常將遠(yuǎn)小于θJC。
希臘字母“
psi”用于幫助清楚地區(qū)分ΨJT和θJC熱電阻。

在自然對流下,塑料封裝的Ψ
JT通常是相對較低的值。
這意味著
TJ通常只比包裝頂部TT稍熱。
管芯僅通過塑料封裝的薄區(qū)域與頂表面物理分離。
因此,除非頂部被氣流強(qiáng)行冷卻,否則它們之間將有非常小的溫差。較薄型的封裝的自然對流Ψ
JT值通常小于1℃ / W。
并且Ψ
JT值還會因周圍風(fēng)流速度的變化而發(fā)生變化。



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沙發(fā)
ID:253767 發(fā)表于 2018-8-12 13:33 | 只看該作者
學(xué)習(xí)了。謝謝分享�。�!
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板凳
ID:280927 發(fā)表于 2018-8-21 10:21 | 只看該作者
很棒的資料,最近對這些有點(diǎn)疑惑,現(xiàn)在理解多了,謝謝分享
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