半導(dǎo)體器件并不完美——所有二極管和晶體管都因開關(guān)和導(dǎo)通而產(chǎn)生功率損耗。開關(guān)損耗發(fā)生在結(jié)的通斷狀態(tài)之間的間隔期間，此時器件端子上既有電壓又有電流流過。傳導(dǎo)損耗是由于設(shè)備的內(nèi)部電阻造成的，無論它有多低，都會在電流流動時導(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)百萬個晶體管封裝到單個集成電路中的設(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)以使器件正確運行，則必須將熱量散發(fā)出去。半導(dǎo)體器件的封裝進一步使散熱方式復(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制，旨在了解這些機制以何種方式應(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。

散熱機制

電子設(shè)備散熱的三種基本機制是：傳導(dǎo)、對流和輻射。對于封裝的半導(dǎo)體器件，大部分熱量將通過傳導(dǎo)傳遞：從器件核心處的熱源通過半導(dǎo)體襯底、芯片所連接的引線框架，以及通過封裝器件的模塑材料到其內(nèi)部。外表面。此時，熱量可以通過與設(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)而進一步傳遞。

對流定義為通過流體（可以是液體或氣體）傳遞熱量，就像在周圍的空氣中一樣。這種機制在很大程度上解釋了剩余熱量散發(fā)到周圍環(huán)境中的原因。輻射傳熱很少是電子產(chǎn)品傳熱的重要機制，并且計算復(fù)雜，因為它不僅取決于溫差，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，但更常見的是通過考慮熱流的倒數(shù)來確定散熱，即這些點之間的熱阻。通常，該數(shù)字將由端點和一個或多個中間點之間的熱阻組成，具體取決于熱傳遞機制和所涉及的材料。

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，旨在允許計算可以在器件內(nèi)部安全耗散的功率量，而無需將其結(jié)溫 （Tj） 提高到其指定最大值以上。例如，對于在 25°C 環(huán)境溫度 （Ta） 下運行的器件，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，可以通過了解器件內(nèi)部消耗的功率以及 Rth （JA） 和 Ta 值來計算 Tj。

有時制造商會提供替代或附加的熱阻值，可以以類似的方式使用這些值來計算工作結(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） Rth（JL） – 參見圖 1。

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

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

在實踐中，即使使用非接觸式紅外儀器，在所需測量點獲得準確的溫度也很困難。相反，可以使用以下 JEDEC （JESD51-12） 標準方法之一來確定 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“X”之間的熱流路徑的熱阻，該關(guān)注點可能是封裝頂部、焊接點等。方法 1 假設(shè)所有功率耗散在 ‘X’ 點使用有效的散熱裝置迫使結(jié)點處通過感興趣的點。然后通過準確測量該點 （Tx） 的溫度，可以計算出真實的熱阻：

Rth（JX_?） = （Tj –Tx） / P

其中 P 是從結(jié)流向“X”點的耗散功率（熱量）。理想情況下，在此測量過程中，接近 100% 的功率應(yīng)從結(jié)流向“X”點。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 測量的。該值與電路板尺寸無關(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_?）

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

Rth（JX_?） = （Tj –Tx） / P

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

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 測量的，這就是為什么隨后在本文中將 Rth（JC） 更準確地稱為 ?th（JC） 的原因。

確定結(jié)溫 （Tj）：

使用 Rth（JA）、Rth（JL） 或 ?th（JC） 準確確定器件的結(jié)溫 （Tj） 取決于能否在理想數(shù)據(jù)表條件下測量環(huán)境、引線或外殼溫度。在現(xiàn)實中，一個設(shè)備通常會安裝在一個擠滿了其他設(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 （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，必須注意確保實際應(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，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）可能會導(dǎo)致顯著錯誤。

Rth（JL） …該值是根據(jù) JEDEC （JESD51-12） 方法 1 測量的，并且只能用于 1） 如果每隔一個路徑中的熱流變得微不足道，以及 2） 準確測量引線溫度。為了使用這種方法測量數(shù)據(jù)表中的 Rth（JL） 值，需要在引線框架接線片上連接一個大型散熱器，以確保來自結(jié)的大部分熱量從引線框架接線片流出到散熱器中。在實踐中，這種情況很少發(fā)生，因為會有其他平行的熱流路徑會降低 Rth（JL） 的精度。圖 2 顯示了使用實際尺寸散熱器時 Rth（JL） 對散熱器的依賴性。因此，數(shù)據(jù)表中的 Rth（JL） 值實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 測量的，并使用 1） 結(jié)與外殼上的測量點（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)點和外殼上的測量點之間流動的功率。由于這個原因，這個值不應(yīng)被視為真正的熱阻，而只是一個熱參數(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。由于器件周圍的空氣對流，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行測量，設(shè)備的熱表面仍會導(dǎo)致空氣循環(huán)，從而產(chǎn)生對流效應(yīng)。與 Rth（JA） 和 Rth（JL） 相比，?th（JC） 通常是較小的值，因此對流效應(yīng)會導(dǎo)致其值的比例變化更大，使其顯得更顯著。因此，不應(yīng)無條件地使用該值來嘗試確定實際應(yīng)用中的結(jié)溫。然而，?th（JC） 的絕對值越低，也意味著計算結(jié)溫的誤差也很低。因此，不應(yīng)無條件地使用該值來嘗試確定實際應(yīng)用中的結(jié)溫。然而，?th（JC） 的絕對值越低，也意味著計算結(jié)溫的誤差也很低。因此，不應(yīng)無條件地使用該值來嘗試確定實際應(yīng)用中的結(jié)溫。然而，?th（JC） 的絕對值越低，也意味著計算結(jié)溫的誤差也很低。

圖 4提出了一種替代方法，可用作在實際應(yīng)用場景中更準確地確定器件結(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，在測量外殼溫度時必須小心，因此 1） 建議使用非接觸式熱測量儀器，并且 2） 外殼上的測量點應(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)表中常見的各種熱阻參數(shù)（結(jié)到外殼、引線或環(huán)境）來確定半導(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，如果可以在實際應(yīng)用電路板上以相同的方式測量外殼溫度，則類似于圖 4 的圖表是確定器件結(jié)溫的最準確工具。