引言

準確估算結溫對于確保半導體器件的可靠性、性能和壽命至關重要。結溫直接影響電子元件的效率、穩(wěn)定性和安全性。本文全面介紹了估算結溫的方法，并著重闡述了如何運用熱阻和熱特性參數(shù)。通過這些估算方法，工程師可以實施有效的熱管理策略，提升器件性能，并降低過熱引起故障的風險。本文詳細解釋了基本熱參數(shù)，重點說明了熱阻和熱特性參數(shù)的主要區(qū)別，并介紹了估算結溫的實用方法。文中還包括案例研究，用來驗證這些估算方法的準確性。無論是開發(fā)新的電子系統(tǒng)還是優(yōu)化現(xiàn)有設計，本文提供的基本知識和工具都有助于實現(xiàn)精準熱測量，確保器件可靠運行。

熱參數(shù)概述

了解熱阻和特性參數(shù)對于評估和比較電子封裝的熱性能至關重要。這些參數(shù)是實現(xiàn)有效熱管理和準確估算結溫的關鍵因素。表1概要介紹了五個主要熱參數(shù)。

熱阻與熱特性參數(shù)

熱阻(θ)和熱特性參數(shù)(ψ)均與電子封裝的熱性能有關，并且都涉及到散熱和溫差等相似的概念，因此常常被混為一談。然而，這兩者的用途不同，推導條件也不同。熱阻定義為兩點（例如結至環(huán)境或結至外殼）之間的溫差除以功耗的結果，它高度依賴于PCB設計和氣流等特定條件。熱阻通常僅考慮單個主要的熱流路徑，因此可用于比較不同封裝的熱性能和設計散熱方案。而熱特性參數(shù)定義為結與特定點（例如封裝頂部或電路板）的溫差除以功耗的結果，它會考慮各種導熱路徑的綜合效應。熱特性參數(shù)不太依賴于具體條件，在實際應用中運用這些參數(shù)可以更準確地估算結溫。

表1 熱參數(shù)

例如，提取結到外殼（頂部）熱阻參數(shù)時，認為所有封裝損耗都通過封裝的頂部消散，熱量通過單個主要路徑流動。這些參數(shù)是通過仿真提取的，因此在仿真環(huán)境中設定了條件，使得所有熱量必須從頂部散發(fā)出去。這在實際應用中不會發(fā)生，因為熱量會通過IC中的不同路徑消散。另一方面，提取結至外殼（頂部）熱特性參數(shù)時，則認為對于IC中發(fā)生的損耗，只有一部分熱量流過封裝的頂部。它考慮了現(xiàn)實條件下所有可能的熱流路徑，因此更適合用來估算實際應用中的結溫。圖1通過一個簡化的示意圖，說明了提取這兩種參數(shù)時熱流路徑的差異。請注意，此示意圖只是為了方便讀者理解，并沒有準確描述實際的參數(shù)提取過程，也沒有準確描繪封裝內部的精確熱流路徑。

這兩種指標之所以容易混淆，是因為它們都涉及溫差和功耗。然而，它們有著不同的應用場合，并且受不同的因素影響。了解這些區(qū)別對于準確估算溫度和實現(xiàn)有效的熱管理至關重要。

圖1 θ_JC和ψ_JT參數(shù)提取中的熱流路徑表示

結溫估算方法

有多種方法可用來估算封裝結溫。務必使用正確的熱參數(shù)來確保溫度估算準確。下面討論兩種主要的結溫估算方法，可輕松應用于實驗裝置。

方法1：利用結至環(huán)境熱阻(θ_JA)

說明

此方法很實用，只需知道封裝的損耗，就能大致估算結溫，無需任何專用設備。

要求：

●   被測PCB上封裝的θ_JA值。

●   準確測量運行環(huán)境溫度和封裝的損耗。

公式：

挑戰(zhàn)：

●   θ_JA值高度依賴于PCB設計和氣流，考慮不周可能會導致結果不準確。

●   另一個關鍵方面是要準確測量環(huán)境溫度和IC損耗。

方法2：利用結至外殼（頂部）熱特性(ψ_JT)

說明

使用此方法可以準確估算結溫，但需要額外的設備來測量封裝外殼溫度。當封裝上使用散熱器時，不能使用這種方法來估算結溫。

要求：

●   被測PCB上封裝的ψ_JT值。

●   準確測量外殼頂部溫度和封裝的功耗。

殼溫測量技術：

下面介紹兩種常用的封裝外殼溫度測量方法：

●   使用熱像儀：可以利用熱像儀觀測外殼溫度。此方法適用于室溫測量。準確測量取決于熱像儀的精度和封裝損耗。

●   使用熱電偶：通過將熱電偶安裝在封裝外殼頂部，可以測量外殼溫度。此方法適用于所有溫度下的測量，尤其是當封裝需要放置在熱箱中時。測量的準確性主要取決于所使用的熱電偶和萬用表。

公式：

挑戰(zhàn)：

●   準確測量封裝外殼溫度對于精準估算結溫至關重要。

●   將熱電偶安裝到封裝外殼頂部進行溫度測量可能會有難度。

案例研究

本文討論的兩種方法通過工作臺測試進行了驗證。我們采用MAX25255來檢驗測量的準確性。該器件具有溫度傳感器引腳，可監(jiān)測IC裸片結溫。監(jiān)測結果可作為IC實際結溫的參考，幫助我們評估每種方法估算結溫的準確程度。下表列出了JEDEC板和評估套件上IC封裝的不同熱參數(shù)。在測試中，我們使用4層MAX25255評估套件進行工作臺驗證。

表2 MAX25255封裝信息

測試用例的運行條件如下：

●   V_IN=12 V，V_OUT=3.3 V，I_OUT=8 A，fsw=2100 kHz，Tamb=25°C

●   效率=92.3%，IC損耗=1.7 W

●   裸片結溫（通過TEMP引腳測量）= 57.3°C

使用不同技術來估算結溫，了解估算結果與實際裸片溫度的吻合度。

案例1：使用θ_JA

使用此方法計算封裝結溫時無需專用設備，有助于避免因設備校準問題引起的測量誤差。只需將不同參數(shù)的值代入公式中即可計算出結溫。對于被測IC，用此方法估算的結溫如公式3所示。

這里估算的結溫為56.45°C，接近TEMP引腳測量的實際結溫。測量誤差約為0.85°C (1.5%)。準確測量環(huán)境溫度和IC損耗，對于有效降低結溫估算誤差至關重要。例如，僅0.1 W的IC損耗計算偏差，就足以使結溫改變1.85°C (3.3%)。

案例2：使用ψ_JT和熱像儀（測量外殼溫度）

此方法使用熱像儀來測量IC外殼頂部溫度。本例使用的熱像儀是E60BX，其精度為±2°C或±2%（取較大者）。讓轉換器運行15至20分鐘，確保IC結溫穩(wěn)定。圖2顯示了測得的IC最大外殼溫度。

圖2 MAX25255 IC外殼頂部溫度測量的熱圖像

熱像儀測得的殼溫為56.1°C。公式4用于計算結溫。

這里估算的結溫為57.09°C，與TEMP引腳測量的實際結溫非常接近。測量誤差約為0.21°C (0.37%)。該誤差在測量所用的熱像儀的精度范圍內。在本例中，相較于IC損耗計算，準確估計外殼溫度更為重要。例如，即使IC損耗計算偏差0.5 W，結溫測量也僅偏差0.29°C/W (0.5%)。這是使用ψ_JT相比使用θ_JA的一大優(yōu)勢。

案例3：使用ψ_JT和熱電偶

與案例2相比，此方法使用熱電偶來測量封裝外殼溫度。需要根據(jù)應用的具體要求，選擇合適的熱電偶。本例選擇K型熱電偶，其精度為2.2°C或0.75%（取較大者）。將熱電偶正確安裝到封裝外殼是確保測量準確的關鍵，可以使用導熱膏或導熱膠。確保導熱膏或導熱膠的額定溫度高于待測封裝所用的溫度。本例使用導熱材料TC3-1G。使用導熱膏將熱電偶安裝到IC的頂部，確保熱接觸良好（圖3）。

圖3 使用導熱膏將熱電偶安裝到MAX25255 IC外殼頂部

熱電偶連接到Fluke 52 II溫度計，其精度為±[0.05% + 0.3°C]。讓轉換器運行15至20分鐘，確保IC結溫穩(wěn)定，然后讀取溫度計上的讀數(shù)。在本例中，溫度計讀數(shù)為58°C。公式5用于計算結溫。

這里估算的結溫為58.98°C，不如前兩種技術準確。測量誤差約為1.68°C (2.93%)。外殼溫度測量誤差增大的原因是該技術使用了更多器件（熱電偶、導熱膏和溫度計）。此誤差仍在所涉及的不同設備的組合測量精度范圍內。該技術的優(yōu)點在于，當封裝放置在熱箱中時，也能使用該方法來估算結溫。

這三個案例研究驗證了所討論的封裝結溫估算技術。使用θ_JA無需專用設備就能方便地獲得一個近似值，但使用ψ_JT可以給出更準確的估計。與高度依賴于PCB設計的θ_JA相比，使用熱特性參數(shù)可以更精準地估算實際應用中的結溫。為了更好地了解這種區(qū)別，可以比較表2中MAX25255在JEDEC電路板和評估套件上的θ_JA和ψ_JT的數(shù)值。請注意，這兩片電路板的θ_JA差異接近9°C/W，而ψ_JT僅相差0.02°C/W。

結論

本文全面介紹了關鍵熱參數(shù)，包括熱阻(θ)和熱特性參數(shù)(ψ)，并闡述了它們在準確估算溫度方面的作用。文中詳細說明了估算無散熱器封裝結溫的兩種主要方法：使用結至環(huán)境熱阻(θ_JA)和使用結至外殼（頂部）熱特性參數(shù)(ψ_JT)。每種方法都有其特定的要求、程序步驟和難點。通過幾個案例研究展示了這些方法的實際應用，強調了精準測量的重要性和不同技術對估算準確度的影響。為了獲得準確的測量結果，實際應用中最好使用ψ_JT，而不是θ_JA。

本文還討論了結溫估算中的常見錯誤，例如誤解熱參數(shù)、錯誤使用θ_JA、損耗計算誤差和殼溫測量不當?shù)取ＴO計人員若能避免這些錯誤，就能提升熱評估的準確度。總之，本文討論的技術可能無法絕對精準地確定封裝溫度，但通過透徹了解熱指標并仔細選擇估算技術，就可以提高熱測量的準確性。

作者簡介

Ankul Gupta是ADI公司汽車電源部門的高級工程師，工作地點位于美國亞利桑那州錢德勒。他于2022年加入ADI公司。2019年和2022年，他分別獲得亞利桑那州立大學（位于美國亞利桑那州坦佩）電氣工程碩士和博士學位。