热特性参数介绍

在本文中，我们将讨论另一组热数据，称为热特性参数，用希腊字母 Psi (Ψ) 表示。

在本系列之前的文章中，我们研究了 IC 封装的两个重要热性能指标，即结到热（或 θ JA） 和结到壳（θ JC）热阻。我们还讨论了测量 θ JA的测试条件 以及如何设计 带有散热器的 θ JC。

在本文中，我们将讨论热阻无法为我们提供所需的所有热信息。还有另一组热数据，称为热特性参数，用希腊字母 Psi (Ψ) 表示，根据应用，有时甚至更有用。

测量热阻的挑战

根据定义，热阻是两点之间的温差除以从一点流向另一点的热功率。测量热阻并不总是那么简单。芯片中产生的热量可以通过许多不同的热路径从封装流出到周围环境中。与芯片的总功率不同，流经某个路径的热量不容易确定。这使得测量路径的热阻具有挑战性。

为了避免这个问题，我们可以使用一个实验装置，迫使 IC 产生的几乎 100% 的热量流过感兴趣的热路径。例如，为了测量结到外壳的热阻，我们对系统的所有表面进行绝缘，除了考虑的封装表面。对于 θ JC测试，此封装表面连接到铜冷板。这样，我们可以简单地测量结与外壳之间的温差，然后将其除以芯片总功率即可得到θ JC。

热阻不能说明全部

如上所述，热阻是在特定测试条件下测量的。这些测试条件可能与我们的设计有很大不同。只有当其测量过程与我们的应用环境相似时，才能将给定的热阻应用于我们的设计。例如，如果我们打算使用散热器，θ JC参数可以让我们准确估计结温，因为大部分热量会像在 θ JC测量的情况下一样从散热器流出。

但是没有散热器的应用程序呢？

在这种情况下，产生的热量可以通过许多可用的热路径流动，而 θ JC将不是有用的热度量。这就是为什么除了报告不同的热阻之外，制造商发现在与典型应用环境相似的条件下表征 IC 热性能是有益的。以希腊字母 Psi (Ψ) 表示的热表征参数为我们提供了此类热数据。

我们将在下面讨论 Ψ 参数是数学结构，而不是真正的热阻。

结顶热特性参数 (ΨJT)

Ψ JT是结和封装顶表面之间的温差除以芯片“总功率”。您可能想知道这是否与 θ JC,Top为我们提供的不同。与 θ JC,Top测试设置不同，Ψ JT测量不会限制热功率仅流出顶面。相反，如下图所示，允许热量沿着所有可用的热路径正常流动。

此测量是否使用标准板？根据 JESD51-12 指南，“热特性参数 Ψ JT和 Ψ JB（稍后讨论）由供应商在与θ JA或 θJMA相同的时间和相同的环境中测量”。 然而，似乎有些制造商同时使用 JEDEC 标准板和用户定义的评估板 (EVB) 来进行 Ψ 测量。

即使在 JEDEC 类型的电路板上进行表征，Ψ JT也可以让我们更准确地估计特定应用电路板的热性能。这是因为热流不受限制，并且在不同路径之间具有类似于典型应用板的分区。

我们如何使用 ΨJT？

有了 Ψ JT，我们可以获得安装在应用 PCB 上的器件的结温。我们只需要测量其顶面中心的外壳温度（T C ）并确定芯片总功率（P T）。现在可以得到 结温 (T J )：

\[T_J =T_C + P_T \times \psi_{JT}\]

请记住，当打算使用散热器时，应使用θ JC而不是 Ψ JT 。

ΨJT不是真正的热阻

为了获得Ψ JT，结和外壳之间的温差除以“总芯片功率”。在 ΨJT 测量过程中，热量不仅限于从封装表面流出。因此，总热功率中只有一部分从管芯流向封装顶部。

由于 Ψ JT方程将温度增量除以“总芯片功率”而不是实际流出顶面的部分，因此它被认为是一种数学结构，而不是真正的热阻。这种数学结构使我们能够以可接受的精度表征应用环境中发生的热流分区。

因此，这使得准确估计安装在应用 PCB 上的器件的结温成为可能。希腊字母 psi 用于热表征参数，以清楚地区分它们与字母 theta 表示的热阻。

典型的 ΨJT值

Ψ JT是电路板特性和气流条件的函数。对于塑料封装，Ψ JT参数在自然对流下是一个相对较低的值。这会随着气流速度而增加，因为气流会强制冷却顶面。这就是为什么如果不在自然对流下测量，气流速度总是用 Ψ JT报告。下表给出了一些典型值。

模具上方塑料模具的厚度和导热系数以及模具尺寸是影响Ψ JT值的一些主要因素。对于薄型封装，自然对流 Ψ JT通常小于 1 °C/W。较厚的封装或非常小的芯片会导致较大的 Ψ JT值在 2 到 10 °C/W 的范围内。对于包含嵌入式散热片的封装，Ψ JT值可以非常接近于零。

对 PCB 尺寸的依赖

θ 参数会随着电路板尺寸发生显着变化。例如，只需将电路板尺寸从 0.5 in 2增加到 9 in 2 ，测得的 θ JA就可以从 100 °C/W 变为低至 30 °C/W 。然而，使用 Ψ 参数，对电路板尺寸的依赖性会小得多，如下图所示。这是一个关键优势，它允许热特性参数提供对结温的准确估计。

结论

尽管 θ JA和 θ JC等热阻 为我们提供了一些有关 IC 封装热性能的信息，但它们可能不适用于许多应用板。

补充热信息由希腊字母 Psi (Ψ) 表示的热特性参数提供。这些实际上是数学结构，而不是真正的热阻。然而，它们是非常有用的数字，使我们能够准确地表征应用板上 IC 的热性能。