功率半導(dǎo)體器件熱阻 | 數(shù)據(jù)表你真的看明白了嗎？

處理功率晶體管等器件產(chǎn)生的熱量是整個(gè)設(shè)計(jì)工作的一個(gè)重要部分。通常，制造商都會(huì)提供一個(gè)方便的數(shù)字——熱阻，用來(lái)描述器件在發(fā)生故障之前可以作為熱量散失的能量的量。不過(guò)，必須了解的是，器件真正的性能可能更多地取決于 PCB 級(jí)采取的措施，而不是數(shù)據(jù)表中的結(jié)到外殼溫度的數(shù)字。言外之意，數(shù)據(jù)表中的數(shù)字只能作為參考。

我們來(lái)看看在這方面頗有造詣的幾位工程師是怎么解讀器件熱阻的？

什么是熱阻？

熱阻（Thermal Resistance，Rθ）是熱從熱物體流向冷物體時(shí)遇到的阻力。每種材料及其界面都有熱阻，其數(shù)值可以用來(lái)計(jì)算熱量從熱源中排出的速率。在一個(gè)集成器件中，熱的來(lái)源總是半導(dǎo)體的結(jié)，而超過(guò)了結(jié)的最高工作溫度將導(dǎo)致災(zāi)難性的故障。

雖然集成器件制造商都使用一些技術(shù)設(shè)計(jì)了針對(duì)這種情況的保護(hù)，例如超溫關(guān)機(jī)，但不可避免地會(huì)導(dǎo)致工作中斷。一個(gè)更好的解決方案是進(jìn)行設(shè)計(jì)選擇，抑制（或至少限制）可能導(dǎo)致結(jié)溫超過(guò)其最大工作溫度的條件。由于結(jié)不能直接進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，通過(guò)傳導(dǎo)消除熱量是確保其冷卻的唯一途徑。為了達(dá)到最大設(shè)計(jì)效率，工程師需要讓器件在這些限制內(nèi)工作。

半導(dǎo)體器件并不是完美的，所有二極管和晶體管都會(huì)有由于開關(guān)和傳導(dǎo)造成的功率損耗。當(dāng)器件端子上既有電壓又有電流流過(guò)時(shí)，在結(jié)接通和斷開狀態(tài)的時(shí)間間隔內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)開關(guān)損耗。傳導(dǎo)損耗是由于器件內(nèi)阻引起的，無(wú)論電阻有多低，當(dāng)電流流動(dòng)時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致功率損耗。即使是在關(guān)閉狀態(tài)下，由于晶體管漏電流造成的損耗在微處理器等器件中也會(huì)非常嚴(yán)重，因?yàn)檫@些器件必須使用小幾何工藝才能將數(shù)百萬(wàn)個(gè)晶體管封裝到一個(gè)集成電路中。

不管是什么原因，半導(dǎo)體器件中的損耗都會(huì)產(chǎn)生熱量，如果要使結(jié)溫保持在可接受的范圍內(nèi)以保證器件正常工作，就必須將這些熱量散發(fā)出去。半導(dǎo)體器件的封裝使散熱的方法更加復(fù)雜，因此了解所涉及的各種過(guò)程以及在器件數(shù)據(jù)表中提供熱信息的方式非常重要。

真正熱性能取決于系統(tǒng)級(jí)熱阻

Diodes 工程師 David Toro 認(rèn)為，要從系統(tǒng)級(jí)別理解熱阻的影響。一個(gè)器件的真正熱性能更多地取決于在 PCB 級(jí)別采取的措施，而不是數(shù)據(jù)表中的結(jié)到外殼的數(shù)字。
他解釋說(shuō)，熱阻包括從結(jié)到環(huán)境的多個(gè)級(jí)別，而計(jì)算一個(gè)結(jié)的熱量釋放速率需要了解熱量的路徑以及它在這一過(guò)程中遇到的所有阻力。從熱量從結(jié)處流向環(huán)境空氣的路徑來(lái)看，總熱阻必須包括沿該路徑的每種材料的熱阻。

典型功率 MOSFET 封裝和熱阻路徑截面

這表明了器件制造商常用的兩個(gè)數(shù)字之間的一個(gè)重要區(qū)別：結(jié)到外殼熱阻（Rθjc）和結(jié)到環(huán)境空氣熱阻（Rθja）。如上圖所示，Rθja 包括了 Rθjc。盡管它不在器件制造商的控制范圍之內(nèi)，但在測(cè)試條件下對(duì)其器件進(jìn)行特性描述將會(huì)提供 Rθja 的數(shù)值，對(duì)工程師使用器件有指導(dǎo)意義。

由于制造商對(duì)熱阻的不一致引用會(huì)導(dǎo)致潛在的誤差。經(jīng)常使用的 Rθjc 并沒(méi)有考慮外殼和環(huán)境之間的熱阻。這低估了器件外殼和系統(tǒng)其他部分之間界面的重要性。以 MOSFET 散熱為例，器件的封裝底部很可能有一個(gè)大的焊盤，其內(nèi)部與晶體管的漏極相連，它是通向器件結(jié)的主要熱路徑，因此器件結(jié)產(chǎn)生的大部分熱量將流經(jīng)器件并在此處排出。器件焊接在板上之后，PCB 的尺寸和形狀、層數(shù)和線跡分布都會(huì)影響通過(guò) PCB 向周圍環(huán)境散熱的速率。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，外殼和環(huán)境之間的熱阻路徑更為重要。

Rθja 不僅僅是封裝特性

All About Circuits 的電氣工程師 Steve Arar 非常同意上述觀點(diǎn)。他說(shuō)，Rθja 的確是一個(gè)系統(tǒng)特性，而不僅僅是封裝的特性。有幾個(gè)不同參數(shù)都會(huì)影響 Rθja。在自然對(duì)流環(huán)境中，熱量會(huì)流過(guò) PCB 和封裝外殼。安裝 IC 的 PCB 實(shí)際上可以扮演一個(gè)焊接在器件引線上的散熱器的角色。

熱量通過(guò) IC 和 PCB 沿紅色箭頭流動(dòng)

他表示，改變 PCB 的特性，例如跡線密度和電源 / 接地平面的數(shù)量，可以得到不同的 Rθja 值。JEDEC 規(guī)范為 Rθja 測(cè)量定義了兩種板類型：
?1s（一個(gè)信號(hào)層）
?2s2p（兩個(gè)信號(hào)層和兩個(gè)電源層）

當(dāng)將板類型從 1s 板改為 2s2p 板類型時(shí)，比較十余種不同封裝類型隨板類型發(fā)生的 Rθja 變化，可以發(fā)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果有很大不同，電路板類型可以改變 Rθja 多達(dá) 50%。

1s 和 2s2p PCB 上 17 種封裝的結(jié)到環(huán)境熱阻比較

Steve Arar 還指出，還有其他幾個(gè)因素可以影響結(jié)到環(huán)境熱阻。例如，熱阻會(huì)隨海拔升高而增加。與在海平面上運(yùn)行的相同器件相比，在 8000 英尺處運(yùn)行的器件承受的空氣壓力更小，運(yùn)行溫度可以提高 20%。有趣的是，主要的系統(tǒng)設(shè)計(jì)公司是使用壓力室來(lái)測(cè)試其在不同高度設(shè)計(jì)的熱性能。

熱阻也是環(huán)境溫度的函數(shù)。當(dāng)環(huán)境溫度從 0℃到 100℃時(shí)，整個(gè) Rθja 可降低 20%。此外，Rθja 還會(huì)隨給定 IC 中耗散功率的增加而降低。

Rθja 有助于比較不同制造商封裝的熱性能

Steve Arar 說(shuō)，對(duì)于集成電路封裝來(lái)說(shuō)，最常見(jiàn)的（也是最容易誤用的）熱參數(shù)就是 Rθja。如果有了給定系統(tǒng)中 IC 的 Rθja 參數(shù)，就可以很容易地使用以下公式計(jì)算結(jié)溫：

式中，Tj 是結(jié)溫（片芯上的最高溫度）；Ta 是環(huán)境溫度；P 是芯片中的總功耗。
利用上述方程，可以確定一個(gè)集成電路的最大允許功耗。例如，如果最大允許結(jié)溫為 150℃，Ta=25℃，Rθja=17℃/W，則得到的最大允許功率為：

在有 Rθja 參數(shù)的情況下，評(píng)估設(shè)計(jì)熱性能似乎是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)。然而，在應(yīng)用上述公式來(lái)估計(jì)特定應(yīng)用電路板的結(jié)溫之前，必須充分理解其中的復(fù)雜性。也就是上面說(shuō)過(guò)的要從系統(tǒng)級(jí)來(lái)考慮熱阻。

如何精確測(cè)量

Diodes 應(yīng)用工程師 Siva Uppuluri 指出，半導(dǎo)體制造商提供的封裝器件熱阻值可作為設(shè)計(jì)輔助，以確定其功率處理能力。通常以結(jié)到環(huán)境熱阻的形式給出的數(shù)字，旨在將結(jié)溫（Tj）保持在規(guī)定最大值以下的情況下，計(jì)算器件內(nèi)部可安全耗散的功率量。例如，對(duì)于在 25℃的環(huán)境溫度（Ta）下運(yùn)行的器件，其結(jié)到環(huán)境的熱阻 Rθja 為 150℃/W，且規(guī)定的最大結(jié)溫 Tj 為 150℃，可使用以下公式計(jì)算最大功率（Pmax）：

有時(shí)制造商會(huì)提供替代或額外的熱阻值，可以用類似的方法計(jì)算工作結(jié)溫。這可能包括結(jié)到外殼（封裝頂部）的值（Rθjc）和結(jié)到引線的值（結(jié)到引線框架的焊接點(diǎn)，Rθjl）。

Tc（外殼溫度）和 Tl（引線溫度）溫度測(cè)量點(diǎn)很重要

他說(shuō)，由于半導(dǎo)體結(jié)處耗散的功率會(huì)通過(guò)許多平行的熱流路徑離開封裝，因此，試圖測(cè)量特定熱流路徑（如結(jié)到殼或結(jié)到引線）的熱阻非常復(fù)雜。而一個(gè)有意義的熱阻數(shù)值取決于：
1）如何準(zhǔn)確地測(cè)量結(jié)和外殼（或引線）處的溫度，以及
2）如何確定半導(dǎo)體結(jié)處產(chǎn)生的總熱量中結(jié)和測(cè)量點(diǎn)（即外殼頂部或引線）之間流動(dòng)的部分熱量。

Uppuluri 強(qiáng)調(diào)，測(cè)量外殼溫度時(shí)必須小心，他建議：第一，使用非接觸式熱測(cè)量?jī)x器；第二，外殼上的測(cè)量點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近其表面的中心。

Toro 補(bǔ)充說(shuō)，了解熱阻及其對(duì)器件的影響很重要，原因有兩個(gè)：首先，保持半導(dǎo)體結(jié)低于會(huì)導(dǎo)致失效的水平很重要。對(duì)于大多數(shù)基于硅工藝的半導(dǎo)體，溫度通常為 150℃。其次，與此密切相關(guān)的是，結(jié)溫與功率成正比，或者簡(jiǎn)單地說(shuō)，是半導(dǎo)體器件在絕對(duì)最高結(jié)溫以下運(yùn)行時(shí)所能做的功。

每次 MOSFET 開關(guān)時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生損耗，產(chǎn)生熱量。高頻開關(guān)產(chǎn)生的熱量比它所能散發(fā)的更快，從而導(dǎo)致結(jié)溫的總體升高，必須有效防范。

散熱器對(duì)熱管理和結(jié)溫很重要

不言而喻，散熱器毒功率應(yīng)用非常重要。增加額外的銅層，或增加銅層的尺寸或厚度，都會(huì)對(duì)環(huán)境熱阻系數(shù)產(chǎn)生影響。降低熱阻的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是在功率器件下方增加或延伸接地平面。另一個(gè)成本較高的解決方案是增加一個(gè)外部散熱器。

在考慮功率應(yīng)用的熱管理要求時(shí)，工程師很容易僅根據(jù)數(shù)據(jù)表中提供的熱阻數(shù)據(jù)對(duì)這些要求進(jìn)行假設(shè)。為了說(shuō)明其產(chǎn)生的誤導(dǎo)，看看兩個(gè)功率晶體管之間的比較示例。兩個(gè)器件在 VDS、ID 和 Rds(on)方面具有相似的參數(shù)。但是，使用不同的封裝缺口就不一樣了，其中一種封裝的外殼熱阻 Rθjc 為 1.0℃/W，而另一種封裝則為 0.5℃/W。

乍一看，具有較低熱阻的器件會(huì)在更高的環(huán)境溫度下工作，根據(jù)給出的數(shù)字，可能高出 50%。這可能會(huì)在需要外部散熱器，還是只增加一個(gè)較大的接地平面之間產(chǎn)生差異。很顯然，從材料清單和制造成本來(lái)看，更大的接地平面是成本更低的選擇。
另外，使用制造商數(shù)據(jù)表中常見(jiàn)的各種熱阻參數(shù)（結(jié) - 殼、引線或環(huán)境）來(lái)確定半導(dǎo)體器件的結(jié)溫高度依賴于散熱片的布置。

熱阻將越來(lái)越重要

為了滿足渴望開發(fā)緊湊型和功率密集型應(yīng)用的客戶需求，越來(lái)越多的制造商正在采用更小的、表面貼裝的功率 MOSFET 封裝。這給設(shè)計(jì)師帶來(lái)了更大的壓力，產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的自由度將越來(lái)越小。在使用表面貼裝封裝功率 MOSFET 時(shí)，認(rèn)識(shí)熱阻至關(guān)重要的，因?yàn)樗ǔ?huì)受到附加熱管理措施（如散熱器或風(fēng)扇）的限制。

通過(guò)了解從結(jié)到環(huán)境的熱阻路徑的配置，以及 PCB 在管理熱分布中的重要作用，工程師將能夠根據(jù)其實(shí)際需求做出設(shè)計(jì)決策，而不是人為地限制