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處理功率晶體管等器件產(chǎn)生的熱量是整個設(shè)計工作的一個重要部分。通常，制造商都會提供一個方便的數(shù)字——熱阻，用來描述器件在發(fā)生故障之前可以作為熱量散失的能量的量。不過，必須了解的是，器件真正的性能可能更多地取決于 PCB 級采取的措施，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)值可以用來計算熱量從熱源中排出的速率。在一個集成器件中，熱的來源總是半導(dǎo)體的結(jié)，而超過了結(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)計了針對這種情況的保護(hù)，例如超溫關(guān)機(jī)，但不可避免地會導(dǎo)致工作中斷。一個更好的解決方案是進(jìn)行設(shè)計選擇，抑制（或至少限制）可能導(dǎo)致結(jié)溫超過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時，在結(jié)接通和斷開狀態(tài)的時間間隔內(nèi)就會出現(xiàn)開關(guān)損耗。傳導(dǎo)損耗是由于器件內(nèi)阻引起的，無論電阻有多低，當(dāng)電流流動時，都會導(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非常嚴(yán)重，因為這些器件必須使用小幾何工藝才能將數(shù)百萬個晶體管封裝到一個集成電路中。
不管是什么原因，半導(dǎo)體器件中的損耗都會產(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)級熱阻
Diodes 工程師 David Toro 認(rèn)為，要從系統(tǒng)級別理解熱阻的影響。一個器件的真正熱性能更多地取決于在 PCB 級別采取的措施，而不是數(shù)據(jù)表中的結(jié)到外殼的數(shù)字。
他解釋說，熱阻包括從結(jié)到環(huán)境的多個級別，而計算一個結(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數(shù)字之間的一個重要區(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)，但在測試條件下對其器件進(jìn)行特性描述將會提供 Rθja 的數(shù)值，對工程師使用器件有指導(dǎo)意義。
由于制造商對熱阻的不一致引用會導(dǎo)致潛在的誤差。經(jīng)常使用的 Rθjc 并沒有考慮外殼和環(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)和線跡分布都會影響通過 PCB 向周圍環(huán)境散熱的速率。因此，在設(shè)計過程中，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。他說，Rθja 的確是一個系統(tǒng)特性，而不僅僅是封裝的特性。有幾個不同參數(shù)都會影響 Rθja。在自然對流環(huán)境中，熱量會流過 PCB 和封裝外殼。安裝 IC 的 PCB 實際上可以扮演一個焊接在器件引線上的散熱器的角色。
熱量通過 IC 和 PCB 沿紅色箭頭流動
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 測量定義了兩種板類型：
?1s（一個信號層）
?2s2p（兩個信號層和兩個電源層）
當(dāng)將板類型從 1s 板改為 2s2p 板類型時，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，還有其他幾個因素可以影響結(jié)到環(huán)境熱阻。例如，熱阻會隨海拔升高而增加。與在海平面上運行的相同器件相比，在 8000 英尺處運行的器件承受的空氣壓力更小，運行溫度可以提高 20%。有趣的是，主要的系統(tǒng)設(shè)計公司是使用壓力室來測試其在不同高度設(shè)計的熱性能。
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，整個 Rθja 可降低 20%。此外，Rθja 還會隨給定 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，對于集成電路封裝來說，最常見的（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，評估設(shè)計熱性能似乎是一項簡單的任務(wù)。然而，在應(yīng)用上述公式來估計特定應(yīng)用電路板的結(jié)溫之前，必須充分理解其中的復(fù)雜性。也就是上面說過的要從系統(tǒng)級來考慮熱阻。
如何精確測量
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，計算器件內(nèi)部可安全耗散的功率量。例如，對于在 25℃的環(huán)境溫度（Ta）下運行的器件，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℃，可使用以下公式計算最大功率（Pmax）：
有時制造商會提供替代或額外的熱阻值，可以用類似的方法計算工作結(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，Rθjl）。
Tc（外殼溫度）和 Tl（引線溫度）溫度測量點很重要
他說，由于半導(dǎo)體結(jié)處耗散的功率會通過許多平行的熱流路徑離開封裝，因此，試圖測量特定熱流路徑（如結(jié)到殼或結(jié)到引線）的熱阻非常復(fù)雜。而一個有意義的熱阻數(shù)值取決于：
1）如何準(zhǔn)確地測量結(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)和測量點（即外殼頂部或引線）之間流動的部分熱量。
Uppuluri 強(qiáng)調(diào)，測量外殼溫度時必須小心，他建議：第一，使用非接觸式熱測量儀器；第二，外殼上的測量點應(yīng)盡可能靠近其表面的中心。
Toro 補(bǔ)充說，了解熱阻及其對器件的影響很重要，原因有兩個：首先，保持半導(dǎo)體結(jié)低于會導(dǎo)致失效的水平很重要。對于大多數(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，或者簡單地說，是半導(dǎo)體器件在絕對最高結(jié)溫以下運行時所能做的功。
每次 MOSFET 開關(guān)時，都會產(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，都會對環(huán)境熱阻系數(shù)產(chǎn)生影響。降低熱阻的一個簡單方法是在功率器件下方增加或延伸接地平面。另一個成本較高的解決方案是增加一個外部散熱器。
在考慮功率應(yīng)用的熱管理要求時，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)對這些要求進(jìn)行假設(shè)。為了說明其產(chǎn)生的誤導(dǎo)，看看兩個功率晶體管之間的比較示例。兩個器件在 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%。這可能會在需要外部散熱器，還是只增加一個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)表中常見的各種熱阻參數(shù)（結(jié) - 殼、引線或環(huán)境）來確定半導(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)計師帶來了更大的壓力，產(chǎn)品設(shè)計方面的自由度將越來越小。在使用表面貼裝封裝功率 MOSFET 時，認(rèn)識熱阻至關(guān)重要的，因為它通常會受到附加熱管理措施（如散熱器或風(fēng)扇）的限制。
通過了解從結(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)其實際需求做出設(shè)計決策，而不是人為地限制
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