熱特性參數(shù)介紹

在本文中，我們將討論另一組熱數(shù)據(jù)，稱為熱特性參數(shù)，用希臘字母 Psi (Ψ) 表示。

在本系列之前的文章中，我們研究了 IC 封裝的兩個(gè)重要熱性能指標(biāo)，即結(jié)到熱（或 θ JA） 和結(jié)到殼（θ JC）熱阻。我們還討論了測量 θ JA的測試條件 以及如何設(shè)計(jì) 帶有散熱器的 θ JC。

在本文中，我們將討論熱阻無法為我們提供所需的所有熱信息。還有另一組熱數(shù)據(jù)，稱為熱特性參數(shù)，用希臘字母 Psi (Ψ) 表示，根據(jù)應(yīng)用，有時(shí)甚至更有用。

測量熱阻的挑戰(zhàn)

根據(jù)定義，熱阻是兩點(diǎn)之間的溫差除以從一點(diǎn)流向另一點(diǎn)的熱功率。測量熱阻并不總是那么簡單。芯片中產(chǎn)生的熱量可以通過許多不同的熱路徑從封裝流出到周圍環(huán)境中。與芯片的總功率不同，流經(jīng)某個(gè)路徑的熱量不容易確定。這使得測量路徑的熱阻具有挑戰(zhàn)性。

為了避免這個(gè)問題，我們可以使用一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，迫使 IC 產(chǎn)生的幾乎 100% 的熱量流過感興趣的熱路徑。例如，為了測量結(jié)到外殼的熱阻，我們對系統(tǒng)的所有表面進(jìn)行絕緣，除了考慮的封裝表面。對于 θ JC測試，此封裝表面連接到銅冷板。這樣，我們可以簡單地測量結(jié)與外殼之間的溫差，然后將其除以芯片總功率即可得到θ JC。

熱阻不能說明全部

如上所述，熱阻是在特定測試條件下測量的。這些測試條件可能與我們的設(shè)計(jì)有很大不同。只有當(dāng)其測量過程與我們的應(yīng)用環(huán)境相似時(shí)，才能將給定的熱阻應(yīng)用于我們的設(shè)計(jì)。例如，如果我們打算使用散熱器，θ JC參數(shù)可以讓我們準(zhǔn)確估計(jì)結(jié)溫，因?yàn)榇蟛糠譄崃繒?huì)像在 θ JC測量的情況下一樣從散熱器流出。

但是沒有散熱器的應(yīng)用程序呢？

在這種情況下，產(chǎn)生的熱量可以通過許多可用的熱路徑流動(dòng)，而 θ JC將不是有用的熱度量。這就是為什么除了報(bào)告不同的熱阻之外，制造商發(fā)現(xiàn)在與典型應(yīng)用環(huán)境相似的條件下表征 IC 熱性能是有益的。以希臘字母 Psi (Ψ) 表示的熱表征參數(shù)為我們提供了此類熱數(shù)據(jù)。

我們將在下面討論 Ψ 參數(shù)是數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，而不是真正的熱阻。

結(jié)頂熱特性參數(shù) (ΨJT)

Ψ JT是結(jié)和封裝頂表面之間的溫差除以芯片“總功率”。您可能想知道這是否與 θ JC,Top為我們提供的不同。與 θ JC,Top測試設(shè)置不同，Ψ JT測量不會(huì)限制熱功率僅流出頂面。相反，如下圖所示，允許熱量沿著所有可用的熱路徑正常流動(dòng)。

此測量是否使用標(biāo)準(zhǔn)板？根據(jù) JESD51-12 指南，“熱特性參數(shù) Ψ JT和 Ψ JB（稍后討論）由供應(yīng)商在與θ JA或 θJMA相同的時(shí)間和相同的環(huán)境中測量”。 然而，似乎有些制造商同時(shí)使用 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)板和用戶定義的評估板 (EVB) 來進(jìn)行 Ψ 測量。

即使在 JEDEC 類型的電路板上進(jìn)行表征，Ψ JT也可以讓我們更準(zhǔn)確地估計(jì)特定應(yīng)用電路板的熱性能。這是因?yàn)闊崃鞑皇芟拗疲⑶以诓煌窂街g具有類似于典型應(yīng)用板的分區(qū)。

我們?nèi)绾问褂?ΨJT？

有了 Ψ JT，我們可以獲得安裝在應(yīng)用 PCB 上的器件的結(jié)溫。我們只需要測量其頂面中心的外殼溫度（T C ）并確定芯片總功率（P T）。現(xiàn)在可以得到 結(jié)溫 (T J )：

\[T_J =T_C + P_T \times \psi_{JT}\]

請記住，當(dāng)打算使用散熱器時(shí)，應(yīng)使用θ JC而不是 Ψ JT 。

ΨJT不是真正的熱阻

為了獲得Ψ JT，結(jié)和外殼之間的溫差除以“總芯片功率”。在 ΨJT 測量過程中，熱量不僅限于從封裝表面流出。因此，總熱功率中只有一部分從管芯流向封裝頂部。

由于 Ψ JT方程將溫度增量除以“總芯片功率”而不是實(shí)際流出頂面的部分，因此它被認(rèn)為是一種數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，而不是真正的熱阻。這種數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)使我們能夠以可接受的精度表征應(yīng)用環(huán)境中發(fā)生的熱流分區(qū)。

因此，這使得準(zhǔn)確估計(jì)安裝在應(yīng)用 PCB 上的器件的結(jié)溫成為可能。希臘字母 psi 用于熱表征參數(shù)，以清楚地區(qū)分它們與字母 theta 表示的熱阻。

典型的 ΨJT值

Ψ JT是電路板特性和氣流條件的函數(shù)。對于塑料封裝，Ψ JT參數(shù)在自然對流下是一個(gè)相對較低的值。這會(huì)隨著氣流速度而增加，因?yàn)闅饬鲿?huì)強(qiáng)制冷卻頂面。這就是為什么如果不在自然對流下測量，氣流速度總是用 Ψ JT報(bào)告。下表給出了一些典型值。

模具上方塑料模具的厚度和導(dǎo)熱系數(shù)以及模具尺寸是影響Ψ JT值的一些主要因素。對于薄型封裝，自然對流 Ψ JT通常小于 1 °C/W。較厚的封裝或非常小的芯片會(huì)導(dǎo)致較大的 Ψ JT值在 2 到 10 °C/W 的范圍內(nèi)。對于包含嵌入式散熱片的封裝，Ψ JT值可以非常接近于零。

對 PCB 尺寸的依賴

θ 參數(shù)會(huì)隨著電路板尺寸發(fā)生顯著變化。例如，只需將電路板尺寸從 0.5 in 2增加到 9 in 2 ，測得的 θ JA就可以從 100 °C/W 變?yōu)榈椭?30 °C/W 。然而，使用 Ψ 參數(shù)，對電路板尺寸的依賴性會(huì)小得多，如下圖所示。這是一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢，它允許熱特性參數(shù)提供對結(jié)溫的準(zhǔn)確估計(jì)。

結(jié)論

盡管 θ JA和 θ JC等熱阻 為我們提供了一些有關(guān) IC 封裝熱性能的信息，但它們可能不適用于許多應(yīng)用板。

補(bǔ)充熱信息由希臘字母 Psi (Ψ) 表示的熱特性參數(shù)提供。這些實(shí)際上是數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，而不是真正的熱阻。然而，它們是非常有用的數(shù)字，使我們能夠準(zhǔn)確地表征應(yīng)用板上 IC 的熱性能。