用于估算TJ的热阻数据:θJA和ΨJT的解析

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本文的主要要点

考虑到近年来电子设备中半导体元器件的实际安装条件,一般认为通过θJA进行热设计是相当具有挑战性的。近期,我们也面临着统一TA定义的困境,需要单独进行定义。在高密度半导体器件安装的设备中,很难实际测量到TA的数值。因此,近年来,使用比较容易测量的TT和ΨJT来估算TJ已经成为主流方法。

关于θJA和ΨJT

下表总结了上一篇提到的与θJA和ΨJT相关的关键内容。θJA代表了从器件结点到周围环境之间的热阻,其存在多条散热路径。而ΨJT则表示了从器件结点到封装上表面中心的热特性参数。计算ΨJT的公式中包含了封装顶面中心的温度值TT。

 
符号 定义 用途 计算公式
θJA 结点与周围环境间的热阻。 形状不同的封装之间的散热性能比较。
θJA=(TJ-TA) / P
   
ΨJT 表示相对于器件整体的功耗P的、结点与封装上表面中心之间的温度差的热特性参数。  估算在实际应用产品(实际散热环境)中的结温。

ΨJT=(TJーTT) / P

 

鉴于近年来电子设备中半导体元器件的实际安装条件,一般认为使用θJA进行热设计较为困难。最近难以统一TA的定义,需要单独定义。在半导体器件安装密度很高的设备中,很难实际测量TA。目前,根据较容易测量的TT和ΨJT来估算TJ已成为主流方法。

下表总结了上一篇中提到的θJA和ΨJT的关键内容。θJA表示节点到周围环境之间的热阻,存在多条散热路径。ΨJT表示节点到封装表面中心的热特性参数。ΨJT的计算公式中使用的TT是封装顶部中心的温度。

建议在表格中使用θJA的目的是比较不同形状封装之间的散热性能,而使用ΨJT的目的是估算实际应用产品的结温。接下来我们思考一下这些建议的原因。

关于θJA,有一个讨论是“θJA是否适用于热设计?”从结论来看,使用θJA进行热设计存在一些困难。其主要原因如下:

  • TA的温度是什么温度? 最终需要通过估算TJ的温度来进行判断。在使用θJA计算TJ时,需要环境温度TA。 TA的温度是由JEDEC标准定义的。以下是用于参考的JEDEC标准:

    • JESD51-2A 集成电路热测试方法环境条件-自然对流(静止空气) TA通常是在JEDEC指定的位置进行测量,但某些制造商可能会单独提出TA的测量条件。 此外,JEDEC标准是在假设没有热影响的空间中定义TA的,但近年来设备的安装情况变得越来越复杂,是否存在没有热影响的空间的讨论也随之出现。
  • 高密度安装趋势 正如前面提到的,由于安装密度越来越高,IC和其他发热器件拥挤在电路板上。很容易想象,在现实情况下,与目标器件相邻的IC等器件的热干扰会导致温度上升,因此很难确定认为是TA位置的温度是否真正是TA的温度。

表格中的建议用途是:

  • 对于θJA:“比较不同封装形状之间的散热性能。”
  • 对于ΨJT:“估算在实际应用产品中的结温。”

下面我们来思考一下这些建议的原因。

关于θJA:

在热设计中,有一个讨论:“θJA能否应用于热设计?”根据结论,使用θJA进行热设计是具有挑战性的。以下是其主要原因:

  1. TA的温度是哪里的温度?

最终需要通过估算TJ的温度来进行判断。在使用θJA计算TJ时,需要考虑环境温度TA。

TA的温度是由JEDEC标准定义的。以下是参考的JEDEC标准:

  • JESD51-2A 综合电路器件热测试方法——自然对流环境条件(静止空气)

TA通常在JEDEC规定的位置进行测量,但某些制造商可能会单独指定TA的测量条件。

此外,JEDEC标准在假设没有热源影响的情况下定义了TA,但近年来,由于设备安装情况日益复杂,是否存在无热源影响的空间的问题引起了讨论。

  1. 高密度安装趋势

正如前面提到的,由于安装密度越来越高,集成电路和其他发热器件密集堆叠在电路板上。可以想象,由于与目标器件相邻的IC等器件的热干扰,温度会升高,因此很难确定被认为是TA位置的温度是否真正是TA的温度。

关于θJA,它随有效散热范围的变化而变化。

对于表面贴装型封装的集成电路(IC),其技术规格书中会提供用于散热的铜箔面积、电路板的材料和厚度等条件。因此,可以反过来说“θJA根据实际安装条件而变化”。右图显示了θJA与IC贴装区域的表面铜箔面积之间的关系数据示例。从图中可以明显看出,随着铜箔面积的增加,θJA减小,但θJA的变化并非线性的。如果没有提供这样的图表,根据实际电路板的相应面积来估算θJA是相当困难的。不幸的是,并不是每个制造商都会提供这样的图表。

基于这些情况,尤其是在近年来的实际情况下,通常认为使用θJA进行热设计是具有挑战性的。近年来,一种逐渐流行的方法是通过实际测量目标产品封装顶部中心的温度TT,并使用ΨJT来估算TJ。

关于ΨJT:

ΨJT表示与整个器件功耗P相关的结点与封装顶部中心之间的温度差的热特性参数。下图示意了TJ和TT的关系。由于TT代表封装顶部中心的温度,因此可以通过使用热电偶等方法在实际设备的工作状态下进行测量。

只要能够获得TT的数据,就可以通过对前面给出的ΨJT公式进行变换来计算TJ。

ΨJT = (TJ - TT) / P ⇒ TJ = TT + ΨJT × P

“ΨJT × P”表示TJ和TT之间的温度的差异,与整个器件的功耗成正比。因此,通过测量TT并使用ΨJT,可以估算在实际应用产品中的结温TJ。

总结起来,建议使用θJA来比较不同封装形状之间的散热性能,但需要注意实际安装条件和环境温度的影响。对于估算实际应用产品中的结温TJ,建议使用ΨJT,并测量封装顶部中心的温度TT。这样可以更准确地评估封装的热性能和温度管理。

 

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