了解瞬態(tài)熱阻抗背后的理論

瞬態(tài)熱阻抗用于衡量器件被施加脈沖功率時(shí)的表現(xiàn)，它決定了器件在低占空比和低頻脈沖負(fù)載下的表現(xiàn)方式，因此非常重要。

IC 封裝有許多熱指標(biāo)，例如 θ_JA 和 Ψ_JT。這些參數(shù)使穩(wěn)態(tài)下的結(jié)溫估算變得非常簡單。本文將討論熱瞬態(tài)行為以及熱阻抗的相關(guān)基本理論。

熱參數(shù)概述

倒裝芯片封裝的熱特性由參數(shù) θ_JA、Ψ_JT 和 Ψ_JB 表征。θ_JA 是結(jié)至環(huán)境熱阻（以 °C/W 為單位），它是系統(tǒng)級參數(shù)，在很大程度上取決于系統(tǒng)屬性，如安裝該器件的 PCB 設(shè)計(jì)及布局。其中，電路板被當(dāng)作焊接到器件引線上的散熱器。對自然對流傳熱而言，90% 以上的熱量都由電路板散發(fā)，而不是從封裝表面散發(fā)。 θ_JA 可通過公式（1）來計(jì)算：

其中，T_J 為結(jié)溫（°C），T_A 為環(huán)境溫度（°C），P_D 為器件的散熱量（W）。

Ψ_JT 是表征 T_J 與封裝頂部溫度之間溫度變化的特性參數(shù)（以 °C/W 為單位）。由于從芯片流向封裝頂部的熱量未知，所以 Ψ_JT 并不是真正的結(jié)至頂部熱阻，但電路設(shè)計(jì)人員常假定它是器件的總功率。盡管該假設(shè)是無效，但 Ψ_JT 仍是一個(gè)有用的參數(shù)，因?yàn)槠涮匦耘c IC 封裝的應(yīng)用環(huán)境極為相似。例如，較薄的封裝具有較小的 Ψ_JT 值。

但要注意，Ψ_JT 會(huì)根據(jù)電路板結(jié)構(gòu)和氣流條件的不同而略有不同。利用公式（2）可估算 Ψ_JT：

而有了 Ψ_JB ，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員就可以根據(jù)測得的電路板溫度來計(jì)算器件的結(jié)溫。Ψ_JB 指標(biāo)應(yīng)接近 θ_JB，因?yàn)?PCB 已耗散了大部分的器件熱量。T_J 的計(jì)算公式（3）如下：

其中，T_PCB 是接近封裝裸焊盤處的電路板溫度（°C）。 圖 1 解釋了什么是結(jié)至環(huán)境熱阻。 

圖 1: 結(jié)至環(huán)境熱阻

通過降低 PCB 散熱平面的電阻可以實(shí)現(xiàn)較低的 θ_JA 。以傳導(dǎo)為主要傳熱方法（這意味著對流冷卻法受限）的應(yīng)用中，PCB 的電源平面面積對 θ_BA 的影響最為顯著。

熱特性

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等應(yīng)用中，高功率脈沖寬度都限制在幾十或幾百毫秒以內(nèi)，這意味著設(shè)計(jì)人員必須重視熱容的影響。如果熱容足夠大，它可以將結(jié)溫控制在器件的額定值范圍之內(nèi)，即使存在高耗散峰值也是如此。因此，恰當(dāng)?shù)纳峁芾砜商岣咂骷男阅芘c可靠性。

熱量的傳遞有三種方式：傳導(dǎo)、對流和輻射。

傳導(dǎo)

傳導(dǎo)是一種重要的傳熱方式，因?yàn)樽罱K熱量是通過表面面積散發(fā)的。通過傳導(dǎo)，熱量才能散布到所需的表面。通過傳導(dǎo)進(jìn)行的熱傳遞遵循傅立葉定律，該定律指出，通過材料的熱流率與材料的橫截面積以及材料兩端的溫差成正比；相反，熱流與材料的厚度成反比。有些材料（例如銅）相比其他材料（例如 FR4）導(dǎo)熱更快。表 1 顯示了不同材料的導(dǎo)熱系數(shù) (K)。這些常見的材料具有明顯不同的導(dǎo)熱系數(shù)。

表 1: 不同材料的傳導(dǎo)率

對流

對流是將熱量從材料表面?zhèn)鬟f到空氣中的方法。溫升是功率耗散造成的結(jié)果，它與表面積和熱傳遞系數(shù) (h) 成反比。h 則是風(fēng)速以及電路板與環(huán)境空氣之間溫差的函數(shù)。

輻射

熱輻射包括通過電磁波傳遞熱量。其熱流率與表面積成正比，與輻射元件（例如電路板、組件）溫度的四次方成正比。

通過傳導(dǎo)進(jìn)行熱傳遞最適于高功率應(yīng)用中的半導(dǎo)體。作為 IC 封裝的熱性能的標(biāo)準(zhǔn)描述，θ_JA 在脈沖應(yīng)用中作用不大，甚至還會(huì)導(dǎo)致冗余或高成本的散熱設(shè)計(jì)。

但通過結(jié)合熱阻和熱容，可以對器件的完整熱阻抗進(jìn)行建模。

熱容 (C_TH) 是衡量組件積熱能力的指標(biāo)，它類似于電容積累電荷的方式。對于給定結(jié)構(gòu)的元素，C_TH 取決于比熱 (c)、體積 (V) 和密度 (d)。其計(jì)算公式 (4) 如下（以 J/°C 為單位）：

一個(gè)特定應(yīng)用的熱行為（包括有源器件、封裝、PCB 和外部環(huán)境）在電氣域可類比為一串 RC 單元，每個(gè)單元都有一個(gè)特征時(shí)間常數(shù) (τ)。 該常數(shù)可用公式（5）計(jì)算：

圖 2 通過一個(gè)簡化的電氣模型展示了每個(gè)單元如何影響封裝器件的瞬態(tài)熱阻抗。 

圖 2: 簡化的等效熱電路

脈沖功率操作

當(dāng)功率器件承受脈沖負(fù)載時(shí)，它可以支持更高的峰值功率耗散。功率封裝具有一定的熱容量，這意味著即使器件消耗過多功率，也不會(huì)立即達(dá)到臨界 T_J。對于間歇操作，功率耗散的限制可能會(huì)延長。延長的時(shí)間取決于操作周期的持續(xù)時(shí)間（也稱為脈沖持續(xù)時(shí)間）和操作發(fā)生的頻率（也稱為占空因數(shù)）。

如圖 3 所示，器件一旦上電，芯片會(huì)立即開始升溫。 

圖 3: 芯片升溫/冷卻：單脈沖

如果功率持續(xù)耗散，則熱量產(chǎn)生與消散之間會(huì)達(dá)到平衡，從而穩(wěn)定 T_J。其中部分熱能由器件的熱容存儲。穩(wěn)定的條件則由與晶體管及其熱環(huán)境相關(guān)的熱阻決定。

當(dāng)功率停止耗散，器件就會(huì)逐漸冷卻，升溫和冷卻的規(guī)律是相同的（見圖 3）。但是，如果功率耗散在晶體管溫度穩(wěn)定之前停止，則 T_J 的峰值將低于相同水平的持續(xù)功率耗散所達(dá)到的值（見圖 3）。

如果第二個(gè)脈沖與第一個(gè)脈沖相同，則器件在第二個(gè)脈沖結(jié)束時(shí)，其峰值溫度會(huì)高于第一個(gè)脈沖結(jié)束時(shí)的峰值溫度。脈沖不斷重復(fù)，直到溫度達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)定值（見圖 4）。在這些穩(wěn)定條件下，器件溫度會(huì)在平均值上下波動(dòng)。 

圖 4: 芯片升溫/冷卻：重復(fù)脈沖

如果一系列脈沖后的結(jié)溫過高（例如 T_J > 125°C），則器件的電氣性能和預(yù)期壽命可能會(huì)下降。這種情況可能發(fā)生在具有低占空比的高功率脈沖中，即使其平均功率低于器件的直流額定值也是如此。

圖 5 顯示了一個(gè)較短的單功率脈沖。 

圖 5: 較短的單功率脈沖

隨著脈沖持續(xù)時(shí)間增加，T_J 在脈沖結(jié)束時(shí)接近一個(gè)穩(wěn)定值（見圖 6）。 

圖 6: 較長的單功率脈沖

熱阻抗（Z_TH(JA)）反映了限時(shí)功率脈沖帶來的溫升。該參數(shù)提供了一種簡單的方法來估算器件在瞬態(tài)功率耗散條件下的結(jié)溫。

瞬態(tài)熱阻抗趨于等于連續(xù)功率耗散的熱阻，可通過公式 (6) 進(jìn)行估算：

圖 7: 瞬態(tài)阻抗 Z_TH(JA) 與時(shí)間的關(guān)系

隨著重復(fù)率變小，結(jié)逐漸在脈沖之間完全冷卻，因此每個(gè)脈沖都可以單獨(dú)處理。

對于功率封裝，瞬態(tài)熱效應(yīng)會(huì)在大約 0.1 至 100 秒內(nèi)消失。這個(gè)時(shí)長取決于芯片大小、封裝類型和尺寸。此外，PCB 疊層和布局對其影響也很大。

PCB 相當(dāng)于一個(gè)散熱器，為 IC 封裝提供了將熱量有效地傳遞到電路板及其相鄰環(huán)境中的路徑。因此，最大化封裝電源和接地引腳所在的金屬跡線面積，可有效提高熱傳遞。

T_A 和 P_D 對封裝的熱性能影響不大。在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，持續(xù)時(shí)間過長的功率脈沖產(chǎn)生的效應(yīng)與連續(xù)負(fù)載類似。

結(jié)語

結(jié)溫會(huì)影響很多工作參數(shù)以及器件的工作壽命。設(shè)計(jì)高功率電路最大的挑戰(zhàn)就是確定一個(gè)器件是否能夠支持相關(guān)應(yīng)用的需求。

有效瞬態(tài)熱阻受多種因素影響，包括覆銅面積與布局、相鄰器件的熱度、PCB 上相鄰器件的熱質(zhì)量以及器件周圍的氣流。要準(zhǔn)確估計(jì)溫升，最好的方法是直接在應(yīng)用電路中表征熱阻抗。