处理功率晶体管等器件产生的热量是整个设计工作的一个重要部分。通常,制造商都会提供一个方便的数字——热阻,用来描述器件在发生故障之前可以作为热量散失的能量的量。不过,必须了解的是,器件真正的性能可能更多地取决于 PCB 级采取的措施,而不是数据表中的结到外壳温度的数字。言外之意,数据表中的数字只能作为参考。


我们来看看在这方面颇有造诣的几位工程师是怎么解读器件热阻的?

 

什么是热阻?


热阻(Thermal Resistance,Rθ)是热从热物体流向冷物体时遇到的阻力。每种材料及其界面都有热阻,其数值可以用来计算热量从热源中排出的速率。在一个集成器件中,热的来源总是半导体的结,而超过了结的最高工作温度将导致灾难性的故障。


虽然集成器件制造商都使用一些技术设计了针对这种情况的保护,例如超温关机,但不可避免地会导致工作中断。一个更好的解决方案是进行设计选择,抑制(或至少限制)可能导致结温超过其最大工作温度的条件。由于结不能直接进行强制冷却,通过传导消除热量是确保其冷却的唯一途径。为了达到最大设计效率,工程师需要让器件在这些限制内工作。


半导体器件并不是完美的,所有二极管和晶体管都会有由于开关和传导造成的功率损耗。当器件端子上既有电压又有电流流过时,在结接通和断开状态的时间间隔内就会出现开关损耗。传导损耗是由于器件内阻引起的,无论电阻有多低,当电流流动时,都会导致功率损耗。即使是在关闭状态下,由于晶体管漏电流造成的损耗在微处理器等器件中也会非常严重,因为这些器件必须使用小几何工艺才能将数百万个晶体管封装到一个集成电路中。


不管是什么原因,半导体器件中的损耗都会产生热量,如果要使结温保持在可接受的范围内以保证器件正常工作,就必须将这些热量散发出去。半导体器件的封装使散热的方法更加复杂,因此了解所涉及的各种过程以及在器件数据表中提供热信息的方式非常重要。

 

真正热性能取决于系统级热阻


Diodes 工程师 David Toro 认为,要从系统级别理解热阻的影响。一个器件的真正热性能更多地取决于在 PCB 级别采取的措施,而不是数据表中的结到外壳的数字。
他解释说,热阻包括从结到环境的多个级别,而计算一个结的热量释放速率需要了解热量的路径以及它在这一过程中遇到的所有阻力。从热量从结处流向环境空气的路径来看,总热阻必须包括沿该路径的每种材料的热阻。

 


典型功率 MOSFET 封装和热阻路径截面

 

这表明了器件制造商常用的两个数字之间的一个重要区别:结到外壳热阻(Rθjc)和结到环境空气热阻(Rθja)。如上图所示,Rθja 包括了 Rθjc。尽管它不在器件制造商的控制范围之内,但在测试条件下对其器件进行特性描述将会提供 Rθja 的数值,对工程师使用器件有指导意义。


由于制造商对热阻的不一致引用会导致潜在的误差。经常使用的 Rθjc 并没有考虑外壳和环境之间的热阻。这低估了器件外壳和系统其他部分之间界面的重要性。以 MOSFET 散热为例,器件的封装底部很可能有一个大的焊盘,其内部与晶体管的漏极相连,它是通向器件结的主要热路径,因此器件结产生的大部分热量将流经器件并在此处排出。器件焊接在板上之后,PCB 的尺寸和形状、层数和线迹分布都会影响通过 PCB 向周围环境散热的速率。因此,在设计过程中,外壳和环境之间的热阻路径更为重要。

 

Rθja 不仅仅是封装特性


All About Circuits 的电气工程师 Steve Arar 非常同意上述观点。他说,Rθja 的确是一个系统特性,而不仅仅是封装的特性。有几个不同参数都会影响 Rθja。在自然对流环境中,热量会流过 PCB 和封装外壳。安装 IC 的 PCB 实际上可以扮演一个焊接在器件引线上的散热器的角色。

 


热量通过 IC 和 PCB 沿红色箭头流动

 

他表示,改变 PCB 的特性,例如迹线密度和电源 / 接地平面的数量,可以得到不同的 Rθja 值。JEDEC 规范为 Rθja 测量定义了两种板类型:
•1s(一个信号层)
•2s2p(两个信号层和两个电源层)


当将板类型从 1s 板改为 2s2p 板类型时,比较十余种不同封装类型随板类型发生的 Rθja 变化,可以发现测量结果有很大不同,电路板类型可以改变 Rθja 多达 50%。

 


1s 和 2s2p PCB 上 17 种封装的结到环境热阻比较

 

Steve Arar 还指出,还有其他几个因素可以影响结到环境热阻。例如,热阻会随海拔升高而增加。与在海平面上运行的相同器件相比,在 8000 英尺处运行的器件承受的空气压力更小,运行温度可以提高 20%。有趣的是,主要的系统设计公司是使用压力室来测试其在不同高度设计的热性能。


热阻也是环境温度的函数。当环境温度从 0℃到 100℃时,整个 Rθja 可降低 20%。此外,Rθja 还会随给定 IC 中耗散功率的增加而降低。

 

Rθja 有助于比较不同制造商封装的热性能


Steve Arar 说,对于集成电路封装来说,最常见的(也是最容易误用的)热参数就是 Rθja。如果有了给定系统中 IC 的 Rθja 参数,就可以很容易地使用以下公式计算结温:

 


式中,Tj 是结温(片芯上的最高温度);Ta 是环境温度;P 是芯片中的总功耗。
利用上述方程,可以确定一个集成电路的最大允许功耗。例如,如果最大允许结温为 150℃,Ta=25℃,Rθja=17℃/W,则得到的最大允许功率为:

 


在有 Rθja 参数的情况下,评估设计热性能似乎是一项简单的任务。然而,在应用上述公式来估计特定应用电路板的结温之前,必须充分理解其中的复杂性。也就是上面说过的要从系统级来考虑热阻。

 

如何精确测量


Diodes 应用工程师 Siva Uppuluri 指出,半导体制造商提供的封装器件热阻值可作为设计辅助,以确定其功率处理能力。通常以结到环境热阻的形式给出的数字,旨在将结温(Tj)保持在规定最大值以下的情况下,计算器件内部可安全耗散的功率量。例如,对于在 25℃的环境温度(Ta)下运行的器件,其结到环境的热阻 Rθja 为 150℃/W,且规定的最大结温 Tj 为 150℃,可使用以下公式计算最大功率(Pmax):

 


有时制造商会提供替代或额外的热阻值,可以用类似的方法计算工作结温。这可能包括结到外壳(封装顶部)的值(Rθjc)和结到引线的值(结到引线框架的焊接点,Rθjl)。

 


Tc(外壳温度)和 Tl(引线温度)温度测量点很重要

 

他说,由于半导体结处耗散的功率会通过许多平行的热流路径离开封装,因此,试图测量特定热流路径(如结到壳或结到引线)的热阻非常复杂。而一个有意义的热阻数值取决于:
1)如何准确地测量结和外壳(或引线)处的温度,以及
2)如何确定半导体结处产生的总热量中结和测量点(即外壳顶部或引线)之间流动的部分热量。


Uppuluri 强调,测量外壳温度时必须小心,他建议:第一,使用非接触式热测量仪器;第二,外壳上的测量点应尽可能靠近其表面的中心。


Toro 补充说,了解热阻及其对器件的影响很重要,原因有两个:首先,保持半导体结低于会导致失效的水平很重要。对于大多数基于硅工艺的半导体,温度通常为 150℃。其次,与此密切相关的是,结温与功率成正比,或者简单地说,是半导体器件在绝对最高结温以下运行时所能做的功。


每次 MOSFET 开关时,都会产生损耗,产生热量。高频开关产生的热量比它所能散发的更快,从而导致结温的总体升高,必须有效防范。

 

散热器对热管理和结温很重要


不言而喻,散热器毒功率应用非常重要。增加额外的铜层,或增加铜层的尺寸或厚度,都会对环境热阻系数产生影响。降低热阻的一个简单方法是在功率器件下方增加或延伸接地平面。另一个成本较高的解决方案是增加一个外部散热器。


在考虑功率应用的热管理要求时,工程师很容易仅根据数据表中提供的热阻数据对这些要求进行假设。为了说明其产生的误导,看看两个功率晶体管之间的比较示例。两个器件在 VDS、ID 和 Rds(on)方面具有相似的参数。但是,使用不同的封装缺口就不一样了,其中一种封装的外壳热阻 Rθjc 为 1.0℃/W,而另一种封装则为 0.5℃/W。


乍一看,具有较低热阻的器件会在更高的环境温度下工作,根据给出的数字,可能高出 50%。这可能会在需要外部散热器,还是只增加一个较大的接地平面之间产生差异。很显然,从材料清单和制造成本来看,更大的接地平面是成本更低的选择。
另外,使用制造商数据表中常见的各种热阻参数(结 - 壳、引线或环境)来确定半导体器件的结温高度依赖于散热片的布置。

 

热阻将越来越重要


为了满足渴望开发紧凑型和功率密集型应用的客户需求,越来越多的制造商正在采用更小的、表面贴装的功率 MOSFET 封装。这给设计师带来了更大的压力,产品设计方面的自由度将越来越小。在使用表面贴装封装功率 MOSFET 时,认识热阻至关重要的,因为它通常会受到附加热管理措施(如散热器或风扇)的限制。


通过了解从结到环境的热阻路径的配置,以及 PCB 在管理热分布中的重要作用,工程师将能够根据其实际需求做出设计决策,而不是人为地限制