了解瞬态热阻抗背后的理论

Christophe Vancourt

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简介

瞬态热阻抗用于衡量器件被施加脉冲功率时的表现，它决定了器件在低占空比和低频脉冲负载下的表现方式，因此非常重要。

IC 封装有许多热指标，例如 θ_JA 和 Ψ_JT。这些参数使稳态下的结温估算变得非常简单。本文将讨论热瞬态行为以及热阻抗的相关基本理论。

热参数概述

倒装芯片封装的热特性由参数 θ_JA、Ψ_JT 和 Ψ_JB 表征。θ_JA 是结至环境热阻（以 °C/W 为单位），它是系统级参数，在很大程度上取决于系统属性，如安装该器件的 PCB 设计及布局。其中，电路板被当作焊接到器件引线上的散热器。对自然对流传热而言，90% 以上的热量都由电路板散发，而不是从封装表面散发。 θ_JA 可通过公式（1）来计算：

$$\theta_{JA} = \frac {T_J - T_A}{P_D}$$

其中，T_J 为结温（°C），T_A 为环境温度（°C），P_D 为器件的散热量（W）。

Ψ_JT 是表征 T_J 与封装顶部温度之间温度变化的特性参数（以 °C/W 为单位）。由于从芯片流向封装顶部的热量未知，所以 Ψ_JT 并不是真正的结至顶部热阻，但电路设计人员常假定它是器件的总功率。尽管该假设是无效，但 Ψ_JT 仍是一个有用的参数，因为其特性与 IC 封装的应用环境极为相似。例如，较薄的封装具有较小的 Ψ_JT 值。

但要注意，Ψ_JT 会根据电路板结构和气流条件的不同而略有不同。利用公式（2）可估算 Ψ_JT：

$$\psi_{JT} = \frac {T_J - T_C}{P_D}$$

而有了 Ψ_JB ，系统设计人员就可以根据测得的电路板温度来计算器件的结温。Ψ_JB 指标应接近 θ_JB，因为 PCB 已耗散了大部分的器件热量。T_J 的计算公式（3）如下：

$$T_J = T_{PCB} + (\psi_{JB} \times P_D)$$

其中，T_PCB 是接近封装裸焊盘处的电路板温度（°C）。

图 1 解释了什么是结至环境热阻。

图 1: 结至环境热阻

通过降低 PCB 散热平面的电阻可以实现较低的 θ_JA 。以传导为主要传热方法（这意味着对流冷却法受限）的应用中，PCB 的电源平面面积对 θ_BA 的影响最为显著。

热特性

在电机驱动器等应用中，高功率脉冲宽度都限制在几十或几百毫秒以内，这意味着设计人员必须重视热容的影响。如果热容足够大，它可以将结温控制在器件的额定值范围之内，即使存在高耗散峰值也是如此。因此，恰当的散热管理可提高器件的性能与可靠性。

热量的传递有三种方式：传导、对流和辐射。

传导

传导是一种重要的传热方式，因为最终热量是通过表面面积散发的。通过传导，热量才能散布到所需的表面。通过传导进行的热传递遵循傅立叶定律，该定律指出，通过材料的热流率与材料的横截面积以及材料两端的温差成正比；相反，热流与材料的厚度成反比。有些材料（例如铜）相比其他材料（例如 FR4）导热更快。表 1 显示了不同材料的导热系数 (K)。这些常见的材料具有明显不同的导热系数。

表 1: 不同材料的传导率