【热管理基础知识】热阻参数介绍

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随着对更小，更快和更高功率器件的持续工业趋势，热管理变得越来越重要。不仅设备趋向于小型化，而且安装在其上的电路板也在缩小。将器件单元尽可能靠近地放置在更小的板上有助于降低整个系统尺寸和成本，并提高电气性能。这些改善当然很重要，但从热的角度来看，在减小尺寸的同时提高功率会带来更多的散热挑战。正是这种“功率密度”的提高推动了业界对热管理的高度重视。

为了帮助板级和系统级设计人员，芯片厂家会产品数据表中提供标准化的热阻数据，最常见的是Theta-JA。本文内容有助于理解和使用这些热阻或“theta”。同时还讨论了称为“psi”的几个热特性参数。

热阻的概念

表征封装器件的热性能的常见方法是用“热阻”表示，用希腊字母“θ (theta)”或字母R（本文中用θ）表示。对于半导体器件，热阻表示在芯片表面耗散的热量对芯片结温的稳态温度的上升。其单位为℃/W。

最常见的例子是Theta-JA（结到环境热阻），Theta-JC（结到壳热阻）和Theta-JB（结到板热阻）。当知道参考（即环境，箱子或板）温度，功耗以及相关的θ值时，可以计算结温。Theta-JA通常用于安装在环氧基PCB上的部件的自然和强制对流空气冷却系统。当封装具有直接安装到PCB或散热器的高导热封装时，Theta-JC非常有用。而Theta-JB则适用于与封装相邻的板的温度已知时的应用场景。

除了这些Theta热阻之外，psi-JB（结到板）和psi-JT（结到顶部）热特性参数有时也是比较有用的。对于在板上通电的器件，这些psi信息显示图结温和电路板温度或“封装顶部”温度之间的相关性。术语“psi”用于将它们与“θ”热阻区分开，因为θ不是所有的热实际上在温度测量点与psi之间流动。由于这个原因，所以它们不是真正的热阻，而是热特性参数。

相关术语

•TJ = 结温，℃
•TC = 封装壳温，℃
•TB =与封装相邻的板温度，℃
•TT =包装顶部温度中心，℃
•TA =环境空气温度，℃
•θJA（Theta-JA）=热阻结到环境温度，℃/W
•θJC（Theta-JC）=热阻结至外壳，℃/W
•θJB（Theta-JB）=热阻结对板，℃/ W
•ΨJB（Psi-JB）=结到板表征参数，℃/ W
•ΨJT（Psi-JT）=结到封装）特性参数，℃/W
•P =器件消耗的功率，W

θJA

定义：θJA=（TJ-TA）/ P
θJA=结点到环境的热阻，℃ / W
TJ =结点温度，℃
TA =环境空气温度，℃
P =器件功耗，W

示例：为了确定theta-JA，所需的实验室测试或模型数据是TJ，TA和P.如果TJ = 80℃，TA = 25℃，并且P= 1.0W，则：

θJA=（80℃-25℃）/ 1.0W = 55℃/ W。

用法公式：
在θJA，TA和P已知的情况下，则：TJ = TA +（θJA* P）
示例：如果Theta-JA = 55℃ / W，假设系统中Ta = 35℃，并且稳态功率的器件是P = 0.6W，则：TJ = 35℃+（55℃/ W * 0.6W）= 68℃

θJA的要点：

•表示热流通过发热结和环境空气之间的路径的难易程度。
•θJA主要用于一个封装器件与另一个封装器件的性能比较。
•较低的值表示更好的性能。
•由于θJA高度依赖于电路板设计，因此测试时必须基于使用标准化的测试板。

θJA参数的应用：
可以认为，在标准化测试中θJA表现更好的设备，在类似设计的实际系统中也将表现更好。这有助于选择组件或封装设计，但是当将供应商的标准化数据参数扩展到终端应用时，请务必记住，它们是基于特定的测试条件的。
但是不能认为将θja值（对于标准测试板上的单个器件）用于预测器件在最终应用板上的温度上升。真实性能将受到很多实际因素的影响。

θJC

定义：θJC=（TJ-TC ）/ P
θJC=结至外壳的热阻，℃/ W
TJ =结点温度，℃
TC = 壳温，℃
P =器件功耗，W

应用公式：
在θJC，TC和P已知的情况下，则：TJ = TC +（θJC* P）

θJC的要点：
•表示在发热结与封装顶部或底部之间热量的传递能力。
•测量时将封装顶部或底部表面安装到散热片上。如果未明显指出位置，应说明测试时所应用的表面。

•θJC值适用于：
– 一个封装器件的性能比较（较低的值表示较好的性能）。
– TJ的计算。
– 计算整体热阻
θJC作为热阻的一部分，一般与下面参数有关：
– 顶部或底部安装到外部散热器的塑料封装。
– 带底部电极垫的塑料封装，焊接到热增强型PCB。
– 安装在外部散热器上的陶瓷和金属外壳封装。
•主要取决于θJC热流路径中器件材料的厚度，面积和导热系数。

θJB

定义：θJB=（TJ-TB） / P
θJB=结到板的热阻，℃ / W
TJ =结点温度，℃
TB =与封装相邻的板温度，℃
P =器件消耗的功率，W

应用公式：
在θJB，TB和P已知的情况下，则：TJ = TB +（θJB* P）
θJB的要点：

•数据表θJB值适用于：
– 一个封装设备与另一个封装设备的性能比较。
– 应用PCB上的器件的TJ上升高于Tb的计算。
– 计算整体热阻

ΨJB

定义：ΨJB=（TJ-TB）/ P
ΨJB（Psi-JB）=结到板表征参数，℃ / W
TJ =结点温度，℃
TB =与封装相邻的板温度，℃
P =器件消耗的功率，W

用途：了解ΨJB，获得在应用PCB上通电的器件的TJ：
1）在一侧中心的铜迹线上测量封装边缘附近的板温度。
2）确定器件消耗的功率。
3）计算：TJ = TB +（ΨJB* P）

ΨJB的要点：
•特性参数，而不是“真实”热阻。
•用于计算应用PCB上器件的TJ上升超过TB。
•JESD51-6θJA标准中的可选测试。
•通常使用1S2P或1S2P + Vias板测量。

ΨJB对θJB：
希腊字母“psi”用于区分ΨJB和θJB，因为并不是所有的热量实际上在温度测量点（即结点和板）之间流动，类似于θJB。这是因为ΨJB测试的设置不会像θJB那样强制所有热流从板子流过。因此，ΨJB不是“真正的”热阻。

使用ΨJB测试，器件热量可以从封装顶部和底面同时散出;因此Ψjb将总是具有比θJB小的值。然而，事实证明，对于大多数常见的中小型包装，这两个值将是相似的 – 通常在15％内。因此，有时报告ΨJB代替θJB。

ΨJT

定义：ΨJT=（TJ-TT）/ P
ΨJT（Psi-JT）=结到（封装）特性参数，℃ / W
TJ =结点温度，℃
TT =封装顶部温度中心，℃
P =器件功耗，W

用途：了解ΨJT，获得在PCB器件的TJ：
1）测量中心处的Top_of_package温度。
2）确定器件消耗的功率。
3）计算：TJ = TT +（ΨJT* P）

ΨJT的要点：
•热特性参数，而不是“真实”热阻。
•用于计算TJ。

ΨJT和θJC：

值得注意的是，ΨJT与θJC不同，只有当封装表面安装到散热器上时才适用。测试方法和结果值是非常不同的。事实上，如果在同一封装上测量ΨJT和θJC（在顶表面处），则ΨJT通常将远小于θJC。希腊字母“psi”用于帮助清楚地区分ΨJT和θJC热电阻。

在自然对流下，塑料封装的ΨJT通常是相对较低的值。这意味着TJ通常只比包装顶部TT稍热。管芯仅通过塑料封装的薄区域与顶表面物理分离。因此，除非顶部被气流强行冷却，否则它们之间将有非常小的温差。较薄型的封装的自然对流ΨJT值通常小于1℃ / W。并且ΨJT值还会因周围风流速度的变化而发生变化。