熱阻和結溫詳細概念和設計指導

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上結溫（junction temperature）結溫（junction temperature）是處于電子設備中實際半導體芯片（晶圓、裸片）的最高溫度。它通常高于外殼溫度和器件表面溫度。結溫可以衡量從半導體晶圓到封裝器件外殼間的散熱所需時間以及熱阻。2最高結溫最高結溫會在器件的datasheet數據表中給出，可以用來計算在給定功耗下器件外殼至環(huán)境的熱阻。這可以用來選定合適的散熱裝置。如果器件工作溫度超過最高結溫，器件中的晶體管就可能會被破壞，器件也隨即失效，所以應采取各種途徑降低工作溫度或是讓結溫產生的熱量盡快散發(fā)至環(huán)境中。結溫為：熱阻×輸入電力+環(huán)境溫度,

2、因此如果提高接合溫度的最大額定值,即使環(huán)境溫度非常高,也能正常工作。一個芯片結溫的估計值Tj，可以從下面的公式中計算出來：Tj=Ta+( R JA × PD )Ta = 封裝的環(huán)境溫度 ( º C )R JA = P-N結至環(huán)境的熱阻 ( º C / W )PD = 封裝的功耗 (W)3降低結溫的途徑1、減少器件本身的熱阻；2、良好的二次散熱機構；3、減少器件與二次散熱機構安裝介面之間的熱阻；4、控制額定輸入功率；5、降低環(huán)境溫度；熱阻thermal resistance熱量在熱流路徑上遇到的阻力，反映介質或介質間的傳熱能力的大小，表明了 1W熱量

3、所引起的大小，單位為/W或K/W。用熱乘以熱阻，即可獲得該傳熱路徑上的溫升?？梢杂靡粋€簡單的類比來解釋熱阻的意義，換熱量相當于電流，溫差相當于電壓，則熱阻相當于電阻。熱阻Rja：芯片的熱源結（junction）到周圍冷卻空氣（ambient）的，乘以其發(fā)熱量即獲得器件溫升。熱阻Rjc：芯片的熱源結到封裝外殼間的熱阻，乘以發(fā)熱量即獲得結與殼的溫差。熱阻Rjb：的結與PCB板間的熱阻，乘以通過單板導熱的散熱量即獲得結與單板間的溫差。熱阻公式一般，熱阻公式中，Tcmax =Tj - P*Rjc的公式是在假設散熱片足夠大而且接觸足夠良好的情況下才成立的，否則還應該寫成 Tcmax =Tj - P*(R

4、jc+Rcs+Rsa). Rjc表示芯片內部至外殼的熱阻，Rcs表示外殼至散熱片的熱阻，Rsa表示散熱片的熱阻，沒有散熱片時，Tcmax =Tj - P*(Rjc+Rca)。 Rca表示外殼至空氣的熱阻.一般使用條件用Tc =Tj - P*Rjc的公式近似。 廠家規(guī)格書一般會給出Rjc，P等參數。一般P是在25度時的功耗.當溫度大于25度時，會有一個降額指標。實例舉個實例：一、三級管2N5551 規(guī)格書中給出25度（Tc）時的功率是1.5W(P)，Rjc是83.3/W。此代入公式有：25=Tj-1.5*83.3，可以從中推出Tj為150度。芯片最高溫度一般是不變的。所以有Tc=150-Ptc*

5、83.3，其中Ptc表示溫度為Tc時的功耗.假設管子的功耗為1W，那么，Tc=150-1*83.3=66.7度。注意，此管子25度（Tc）時的功率是1.5W，如果殼溫高于25度，功率就要降額使用.規(guī)格書中給出的降額為12mW/度（0.012W/度）。我們可以用公式來驗證這個結論.假設溫度為Tc，那么，功率降額為0.012*(Tc-25）。則此時最大總功耗為1.5-0.012*(Tc-25）。把此時的條件代入公式得出： Tc=150-（1.5-0.012*(Tc-25）×83.3，公式成立. 一般情況下沒辦法測Tj，可以經過測Tc的方法來估算Ttj，公式變?yōu)椋?Tj=Tc+P*Rjc。

6、同樣以2N5551為例.假設實際使用功率為1.2W，測得殼溫為60度，那么： Tj=60+1.2*83.3=159.96此時已經超出了管子的150度了！按照降額0.012W/度的原則，60度時的降額為（60-25）×0.012=0.42W,1.5-0.42=1.08W.也就是說，殼溫60度時功率必須小于1.08W，否則超出最高結溫.假設規(guī)格書沒有給出Rjc的值，可以如此計算： Rjc=(Tj-Tc)/P，如果也沒有給出Tj數據，那么一般硅管的Tj最大為150至175度.同樣以2N5551為例。知道25度時的功率為1.5W，假設Tj為150，那么代入上面的公式： Rjc=（150-25

7、）/1.5=83.3 如果Tj取175度則 Rjc=（175-25）/1.5=96.6 所以這個器件的Rjc在83.3至96.6之間.如果廠家沒有給出25度時的功率.那么可以自己加一定的功率加到使其殼溫達到允許的最大殼溫時，再把數據代入： Rjc=(Tjmax-Tcmax)/P 有給Tj最好，沒有時，一般硅管的Tj取150度。補充說明我還要作一下補充說明。可以把半導體器件分為大功率器件和小功率器件。1、大功率器件的額定功率一般是指帶散熱器時的功率，散熱器足夠大時且散熱良好時，可以認為其表面到環(huán)境之間的熱阻為0，所以理想狀態(tài)時殼溫即等于環(huán)境溫度.功率器件由于采用了特殊的工藝，所以其最高允許結溫有

8、的可以達到175度。但是為了保險起見，一律可以按150度來計算.適用公式：Tc =Tj - P*Rjc.設計時，Tj最大值為150,Rjc已知，假設環(huán)境溫度也確定，根據殼溫即等于環(huán)境溫度，那么此時允許的P也就隨之確定.2、小功率半導體器件，比如小晶體管，IC，一般使用時是不帶的。所以這時就要考慮器件殼體到空氣之間的熱阻了。一般廠家規(guī)格書中會給出Rja，即結到環(huán)境之間的熱阻.(Rja=Rjc+Rca)。同樣以三級管2N5551為例，其最大使用功率1.5W是在其殼溫25度時取得的.假設此時環(huán)境溫度恰好是25度，又要消耗1.5W的功率，還要保證可溫也是25度，唯一的可能就是它得到足夠良好的散熱！但是

9、一般像2N5551這樣TO-92封裝的三極管，是不可能帶散熱器使用的。所以此時，小功率半導體器件要用到的公式是： Tc =Tj - P*Rja。 Rja：結到環(huán)境之間的熱阻.一般小功率半導體器件的廠家會在規(guī)格書中給出這個參數。2N5551的Rja廠家給的值是200度/W。已知其最高結溫是150度，那么其殼溫為25度時，允許的功耗可以把上述數據代入Tc =Tj - P*Rja 得到 25=150-P*200，得到P=0.625W。事實上，規(guī)格書中就是0.625W.因為2N5551不會加散熱器使用，所以我們平常說的2N5551的功率是0.625W而不是1.5W！還有要注意，SOT-23封裝的晶體管

10、其額定功率和Rja數據是在焊接到規(guī)定的焊盤（有一定的散熱功能）上時測得的。3、另外告訴大家一個竅門，其實一般規(guī)格書中的最大允許儲存溫度其實也是最大允許結溫。最大允許操作溫度其實也就是最大允許殼溫.最大允許儲存溫度時，功率P當然為0，所以公式變?yōu)門cmax =Tjmax - 0*Rjc，即Tcmax =Tjmax。是不是很神奇！最大允許操作溫度，一般民用級（商業(yè)級）為70度，工業(yè)級的為80度.普通產品用的都是民用級的器件，工業(yè)級的一般貴很多。 熱路的計算，只要抓住這個原則就可以了：從芯片內部開始算起，任何兩點間的溫差，都等于器件的功率乘以這兩點之間的熱阻.這有點像歐姆定律。任何兩點之間的壓降，都等于電流乘以這兩點間的電阻。不過要注意，熱量在傳導過程中，任何介質，以及任何介質之間，都有熱阻的存在，當然熱阻小時可以忽略.比如散熱器面積足夠大時，其與環(huán)境溫度接近，這時就可以認為熱阻為0.如果器件本身的熱量就造成了周圍環(huán)境溫度上升，說明其散熱片（有散熱片的話）或外殼與環(huán)境之間的熱阻比較大！這時，最簡單的方法就是直接用Tc =Tj - P*Rjc來計算.其中Tc