解讀數據手冊中的熱參數和 IC結溫

工程師在轉換數據手冊中的熱阻參數，并做出有意義的設計決策時(shí)常常面臨很多困惑。這篇入門(mén)文章將幫助現在的硬件工程師了解如何解讀數據手冊中的熱參數，包括是否選擇 theta 與 psi、如何計算其值；更重要的是，如何更實(shí)用地將這些值應用于設計。本文還將介紹應用環(huán)境溫度之間的關(guān)系，以及它們與 PCB 溫度或 IC 結溫的比較。 最后，我們將討論功耗如何隨溫度變化，以及如何利用此特性來(lái)實(shí)現冷卻運行、成本優(yōu)化的解決方案。

在熱量和電量之間進(jìn)行一定的類(lèi)比，可以幫助我們更輕松地理解熱量。表 1 和表 2對電量和熱量及其材料常數進(jìn)行了類(lèi)比。

表 1：電量和熱量之間的模擬關(guān)系 (1)

注意：

1. 該表內容來(lái)自 Technische Temperaturmessung: 第I卷, Frank Bernhard, ISBN 978-3-642-62344-8。

2. el 為電值，th 為熱值。

表 2：不同材料的材料常數和變量

電量和熱量都可以在網(wǎng)絡(luò )中計算出來(lái)，其規則可與基爾霍夫定律相提并論（見(jiàn)表 3）。

表 3：電過(guò)程與熱過(guò)程的方程類(lèi)比 (3)

注意：

該表內容來(lái)自 Technische Temperaturmessung: 第I卷, Frank Bernhard, ISBN 978-3-642-62344-8。

圖1以MPS的直流開(kāi)關(guān)電源 IC MPQ4572為例，幫助大家了解熱參數。在MPQ4572數據手冊中，有兩個(gè)指定的熱阻參數： θJA和 θJC。本文將詳細討論這些參數。

圖 1：數據手冊中的熱阻（θJA 和θJC）規格

圖2顯示了一個(gè)具有 5V/2A 輸出的典型 MPQ4572 應用電路。

圖 2：具有 5V/2A 輸出的 MPQ4572 典型應用電路

θJA定義為從結到環(huán)境溫度的熱阻。它衡量器件通過(guò)所有傳熱路徑、銅跡線(xiàn)、通孔和空氣對流條件，從結到環(huán)境溫度的散熱能力。

因此，給定的 θJA 僅對其定義的 PCB 有效。人們通常認為θJA是適用于所有 PCB 的常數，這是錯誤的。θJA允許在通用PCB（如 JEDSD51-7）上比較不同的封裝。例如，如果MPQ4572 位于一個(gè)4 層 JESD51-7 PCB (4) 上，則其θJA可通過(guò)公式 (1) 計算：

θJA=60KWθJA=60KW

注意：

4.2. JESD51-7為4層PCB，是一款用于引線(xiàn)表面貼裝元件的高效導熱系數測試板。其尺寸為114.3mmx76.2mm。測量方法請參見(jiàn) https://www.jedec.org/。

如果 MPQ4572 位于 一個(gè)4 層、2盎司的銅質(zhì) MPS 測試 PCB（8.9cmx8.9cm）上，其θJA可通過(guò)公式（2）來(lái)計算：

θJA=45KWθJA=45KW

圖3所示為MPQ4572 的評估板EVQ4572-QB-00A。

圖 3：EVQ4572-QB-00A 評估板

當 RT = 25°C 時(shí)，EVQ4572-QB-00A 的功耗為 1.1W。對JESD51-7 板來(lái)說(shuō)，其結溫 (TJ) 可以通過(guò)公式 (3)來(lái) 估算 ：

TJ=60×KW×1.1W+25o=91oCTJ=60×KW×1.1W+25o=91oC

θJC定義為在封裝底部，結到外殼溫度的熱阻。該溫度在靠近引腳處測得。使用θJC和公式 (4) 計算結溫：

TJ=(θJC×HeatflowJC)+TCTJ=(θJC×HeatflowJC)+TC

其中 HeatflowJC 是從結到外殼的熱流量。HeatflowJC可以用公式 (5) 估算：

HeatflowJC=HeatflowTOTAL?HeatflowJTHeatflowJC=HeatflowTOTAL?HeatflowJT

其中HeatflowJC 是從結到頂面的熱流量。圖 4 顯示了為什么θJC 不能用于定制 PCB板上的測量。

圖 4：結到殼熱阻(θJC)

θJC不能用于定制 PCB 的測量主要有兩個(gè)原因：

1. 定制 PCB 可以是任意尺寸，可能與 JESD51-7 PCB 的固定尺寸（ 114.3mmx76.2mm）不同。θJC的目的是比較不同封裝的傳熱能力，因此應采用JEDSD51-7 PCB 來(lái)進(jìn)行比較，因為其參數已經(jīng)過(guò)研究和測量。

2. 從定制 PCB 封裝流出的實(shí)際熱量是未知的，而 JEDSD51-7 PCB 的該參數已測得。如果是上述功耗為 1.1W 的示例，在該例中，熱流分為兩條路徑：θJC（對定制 PCB 而言未知）和通過(guò)對流從封裝表面輻射到環(huán)境的熱流。

希臘字母Ψ由psi演變而成。 JESD51-2A 標準對ΨJT 和ΨJB進(jìn)行了描述。當設計人員已知總電氣器件功率時(shí)，可以使用 Psi。器件的功率通常很容易測得，再通過(guò)psi來(lái)計算，用戶(hù)就可以直接算出電路板的結溫。

ΨΨJT 和ΨJB是在特定環(huán)境下測量的表征虛擬參數。結溫可以用公式 (6) 來(lái)計算：

TJ=ΨJT×PDEVICE+TSURFACETJ=ΨJT×PDEVICE+TSURFACE

其中TSURFACE (°C)是封裝頂部的溫度，PDEVICE 是 IC 中的電功率。

公式 (6) 中用到了器件的總功耗。這意味著(zhù)我們沒(méi)必要知道封裝頂部和引腳之間的功率分布。這是用熱表征參數代替θJC的優(yōu)勢所在。

ΨJT的典型值介于 0.8°/W 和 2.0°/W 之間。 較小的封裝往往具有較低的ΨJT而具有較厚模塑料的較大封裝，其ΨJT也較高。公式 (7) 和公式 (8) 可以用來(lái)估計 theta (θ)和 psi (Ψ) 之間的差異：

θ12=Tposition1?Tposition2PowerPath12θ12=Tposition1?Tposition2PowerPath12Ψ12=Tposition1?Tposition2PDeviceΨ12=Tposition1?Tposition2PDevice

圖 5 顯示出可以轉換為等效線(xiàn)性電氣網(wǎng)絡(luò )的熱網(wǎng)絡(luò )。θJA 是結與環(huán)境之間等效熱阻的典型名稱(chēng)。

圖5: IC和PCB的熱網(wǎng)絡(luò )圖

采用熱阻 (°C/W)、熱流 (W) 和溫差 (Kelvin) 可以描述系統何時(shí)具有熱穩定性。如果再將熱容量 (Ws/K) 添加到網(wǎng)絡(luò )中，則可以計算瞬態(tài)響應。

隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )規模和詳細程度的不斷增加，這種計算也變得越來(lái)越復雜。硬件開(kāi)發(fā)人員常常缺乏尺寸、材料常數和熱流相關(guān)的精確信息。布局和熱程序可以通過(guò)有限元計算以圖形方式表現熱分布，這是避免大型數學(xué)計算的一個(gè)好方法。

為了保持器件的冷卻，建議IC和銅平面之間的金屬熱傳遞路徑應盡可能地短。利用溫差較大的兩點(diǎn)將有助于優(yōu)化冷熱溫度之間的金屬傳熱路徑。在該系統中，與較冷的 VIA2 相比，VIA1 的頂層和底層之間的銅溫差更高（見(jiàn)圖 6）。這意味著(zhù) VIA1 可以在板層之間傳輸更大的熱流，從而實(shí)現更有效的冷卻。 通孔靠近封裝放置將最有效。

圖6: 直流開(kāi)關(guān)電源IC的散熱圖

在 IC 附近部署連續的銅熱路徑非常必要。避免切割帶有不必要導體跡線(xiàn)的平面。外層最能將熱量輻射到環(huán)境中。避免為靠近 IC 放置的部件部署散熱片，因為它會(huì )影響熱傳輸。

通孔可以改善板層間的熱流。GND 和穩定電位是適合設置熱通孔的位置。 填充和封蓋的通孔可以提高導熱系數，可以直接部署在表面貼裝技術(shù) (SMT) 焊盤(pán)的下方。大規模的散熱布局通常有利于提高電磁兼容性 (EMC)。但要避免將通孔部署在具有高 dI/dt 或 du/dt （例如開(kāi)關(guān)節點(diǎn)）的位置，因為這會(huì )降低 EMC 性能。

FR4是一種廣泛使用的PCB環(huán)氧樹(shù)脂材料，由于環(huán)氧樹(shù)脂和玻璃纖維導熱性能不佳，因此其導熱系數較低。在 PCB 層之間部署銅通孔可以改善層之間的熱連接。有些 PCB 材料的導熱系數甚至是 FR4 的 4 到 8 倍。

MPS的 MPQ4572在本文中用于展示熱參數與電量和網(wǎng)絡(luò )之間的類(lèi)似之處，以及兩者之間的相互轉換。工程師經(jīng)常使用的電量，將有助于快速理解PCB、環(huán)境和半導體之間相互作用的熱參數。

熱阻參數（θJA 和θJC）通常在器件的數據手冊中給出，設計人員可以據此比較不同封裝的散熱特性。表征熱阻（ΨJT 和 ΨJB）則允許設計人員計算特定應用的結溫。在 IC 表面的頂部進(jìn)行溫度測量，可以輕松獲得準確的結溫。