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文檔簡介
1、結(jié)溫 (j uncti on temperature)結(jié)溫(junction temperature )是處于電子設(shè)備中實(shí)際半導(dǎo)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(jié)溫可以衡 量從半導(dǎo)體晶圓到封裝器件外殼間的散熱所需時(shí)間以及熱阻。2最局結(jié)溫最高結(jié)溫會(huì)在器件的datasheet數(shù)據(jù)表中給出,可以用來計(jì)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(jié)溫,器件中的晶體管就可能會(huì)被破壞,器件也隨即失效, 所以應(yīng)采取各種途徑降低工作溫度或是讓結(jié)溫產(chǎn)生的熱量盡快散發(fā)至環(huán)境 中。結(jié)溫為:熱阻x輸入電力+環(huán)境溫度,因此如果提高接合
2、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(gè)芯片結(jié)溫的估計(jì)值Tj ,可以從下面的公式中計(jì)算出來:Tj=Ta+( R 0 JA x PD )Ta =封裝的環(huán)境溫度(º C )R 0 JA = P-N結(jié)至環(huán)境的熱阻(º C / W )PD =封裝的功耗(W)3降低結(jié)溫的途徑1、減少器件本身的熱阻;2、良好的二次散熱機(jī)構(gòu);3、減少器件與二次散熱機(jī)構(gòu)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(zhì)或介質(zhì)間的傳熱能力的大小, 表明了 1W熱量所引起的溫升大小,單位為c /W或K/W
3、用熱功耗乘以熱阻, 即可獲得該傳熱路徑上的溫開??梢杂靡粋€(gè)簡單的類比來解釋熱阻的意義, 換熱量相當(dāng)于電流,溫差相當(dāng)于電壓,則熱阻相當(dāng)于電阻。熱阻Rja :芯片的熱源結(jié)(junction )到周圍冷卻空氣(ambient)的總 熱阻,乘以其發(fā)熱量即獲得器件溫升。熱阻Rjc:芯片的熱源結(jié)到封裝外殼間的熱阻,乘以發(fā)熱量即獲得結(jié)與 殼的溫差。熱阻Rjb:芯片的結(jié)與PC琳間的熱阻,乘以通過單板導(dǎo)熱的散熱量即 獲得結(jié)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(shè)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(yīng)該寫成Tcmax =Tj -P*(Rjc+R
4、cs+Rsa). Rjc表示芯片內(nèi)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(shí),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(huì)給出Rjc, P等參數(shù)。一般P是在25度時(shí)的功耗.當(dāng)溫度大 于25度時(shí),會(huì)有一個(gè)降額指標(biāo)。實(shí)例舉個(gè)實(shí)例:一、三級(jí)管2N5551規(guī)格書中給出25度(Tc)時(shí)的功率是(P), Rjc是C/W。此代入公式有:25=*,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* ,其中Ptc表示溫度為Tc時(shí)的功
5、耗. 假設(shè)管子白功耗為1W那么,Tc=150-1*二度。注意,此管子25度(Tc)時(shí) 的功率是,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(度)。我們可以用公式來驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論.假設(shè)溫度為Tc,那么,功 率降額為*(Tc-25 )。則此時(shí)最大總功耗為)。把此時(shí)的條件代入公式得出: Tc=150- () ) X,公式成立.一般情況下沒辦法測(cè)Tj,可以經(jīng)過測(cè)Tc的方 法來估算Ttj ,公式變?yōu)椋篢j=Tc+P*Rjc 。同樣以2N5551為例.假設(shè)實(shí)際使用功率為,測(cè)得殼溫為 60度,那么: Tj=60+*=此時(shí)已經(jīng)超出了管子的 最高結(jié)溫150度了!按照降額度的原則,60
6、度時(shí)的降額為(60-25) X=,也就是說,殼溫60度時(shí)功率必須小于,否則超 出最高結(jié)溫.假設(shè)規(guī)格書沒有給出Rjc的值,可以如此計(jì)算:Rjc=(Tj-Tc)/P , 如果也沒有給出Tj數(shù)據(jù),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(shí)的功率為,假設(shè)Tj為150,那么代入上面的公式: Rjc= (150-25) /=如果Tj取175度則Rjc= (175-25) /= 所以這個(gè)器件的 Rjc在至之間.如果廠家沒有給出25度時(shí)的功率.那么可以自己加一定的功 率加到使其殼溫達(dá)到允許的最大殼溫時(shí),再把數(shù)據(jù)代入: Rjc=(Tjmax-Tcmax)/P 有給Tj最好,
7、沒有時(shí),一般硅管的 Tj取150度。補(bǔ)充說明我還要作一下補(bǔ)充說明??梢园寻雽?dǎo)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(shí)的功率,散熱器足夠大時(shí)且散熱良好時(shí),可以認(rèn)為其表面到環(huán)境之間的熱阻為0,所以理想狀態(tài)時(shí)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(jié)溫 有的可以達(dá)到175度。但是為了保險(xiǎn)起見,一律可以按 150度來計(jì)算.適用 公式:Tc =Tj - P*Rjc.設(shè)計(jì)時(shí),Tj最大值為150,Rjc已知,假設(shè)環(huán)境溫度也確定,根據(jù)殼溫即等于環(huán)境溫度,那么此時(shí)允許的P也就隨之確定.2、小功率半導(dǎo)體器件,比如小晶體管,IC, 一般使用時(shí)是不帶散熱器的。
8、 所以這時(shí)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(huì)給出Rja,即結(jié)到環(huán)境之間的熱阻.(Rja=Rjc+Rca)。同樣以三級(jí)管2N5551為例, 其最大使用功率是在其殼溫25度時(shí)取得的.假設(shè)此時(shí)環(huán)境溫度恰好是25度, 又要消耗的功率,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(shí),小功率半導(dǎo)體器件要用到的公式是:Tc =Tj - P*Rja。 Rja:結(jié)到環(huán)境之間的熱阻.一般小功率半導(dǎo)體器件的廠家會(huì)在規(guī)格書中給出 這個(gè)參數(shù)。2N5551的Rja廠家給的值是200度/W。已知其最高結(jié)
9、溫是150 度,那么其殼溫為25度時(shí),允許的功耗可以把上述數(shù)據(jù)代入 Tc =Tj - P*Rja 得到25=150-P*200 ,得到P=。事實(shí)上,規(guī)格書中就是.因?yàn)?N5551不會(huì)加 散熱器使用,所以我們平常說的2N5551的功率是而不是!還有要注意,SOT-23 封裝的晶體管具額定功率和 Rja數(shù)據(jù)是在焊接到規(guī)定的焊盤(有一定的散熱 功能)上時(shí)測(cè)得的。3、另外告訴大家一個(gè)竅門,其實(shí)一般規(guī)格書中的最大允許儲(chǔ)存溫度其實(shí) 也是最大允許結(jié)溫。最大允許操作溫度其實(shí)也就是最大允許殼溫.最大允許儲(chǔ)存溫度時(shí),功率P當(dāng)然為0,所以公式變?yōu)門cmax=Tjmax - 0*Rjc ,即Tcmax=Tjmax。是
10、不是很神奇!最大允許操作溫度,一般民用級(jí)(商業(yè)級(jí))為 70 度,工業(yè)級(jí)的為80度.普通產(chǎn)品用的都是民用級(jí)的器件,工業(yè)級(jí)的一般貴很 多。熱路的計(jì)算,只要抓住這個(gè)原則就可以了:從芯片內(nèi)部開始算起,任 何兩點(diǎn)間的溫差,都等于器件的功率乘以這兩點(diǎn)之間的熱阻.這有點(diǎn)像歐姆定律。任何兩點(diǎn)之間的壓降,都等于電流乘以這兩點(diǎn)間的電阻。不過要注意, 熱量在傳導(dǎo)過程中,任何介質(zhì),以及任何介質(zhì)之間,都有熱阻的存在,當(dāng)然 熱阻小時(shí)可以忽略.比如散熱器面積足夠大時(shí),其與環(huán)境溫度接近,這時(shí)就 可以認(rèn)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(shí),最簡單的 方法就是直接用Tc =Tj - P*Rjc來計(jì)算.其中Tc為殼溫,R
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