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深谈芯片有关的温度

分类:
行业新闻
来源:
2020/08/15 13:10
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【摘要】:
即使在IC界摸滚打怕多年,关于芯片有关的温度,很多人估计也会遇到下面的问题:  (1)高低温测试,芯片表面温度超过了芯片规格书上要求的工作温度,是否还可以继续使用;  (2)咨询厂家的FAE,芯片的表面温度、空气温度、结温代表什么意思,FAE也答不清?  (3)经常和测试部PK,研发认为这个温度是没有问题的,测试部认为是有问题的,但是双方都拿不出依据。  (4)规格书经常给出的是常温下的最大功率,
  即使在IC界摸滚打怕多年,关于芯片有关的温度,很多人估计也会遇到下面的问题:
  (1) 高低温测试,芯片表面温度超过了芯片规格书上要求的工作温度,是否还可以继续使用;
  (2) 咨询厂家 的FAE,芯片的表面温度、空气温度、结温代表什么意思,FAE也答不清?
  (3) 经常和测试部PK,研发认为这个温度是没有问题的,测试部认为是有问题的,但是双方都拿不出依据。
  (4) 规格书经常给出的是常温下的最大功率,怎样折算成高温下的最大功率?
  通过本文,你可以学习到:
  (1) 已知芯片的实际允许工况条件(环境温度和功率),可推算出芯片是否超过结温要求。
  (2) 给出当前最高温度要求下,可以达到的最大功率是多少?或者实际功率是否超标。
  (3) 功率器件有或者没有散热片条件下,规定温度下的最大功率是多少。
 
一、与芯片温度有关的术语
  与芯片有关的温度之所以复杂,就是因为专业术语太多了,我们先盘点一下这些名词。
  芯片四个地方的温度:内核、封装表面、空气周边、PCB板:
  (1) TJ(Die Junction Temp):芯片的硅核温度,就是芯片内部核心的 温度,从英文缩写就可以看出,这是个死亡温度,设计者是绝对不能跨越的。
  (2) Ta (Ambient Air Temp):芯片周围的空气温度。不大散热片的小功率器件一般以这个为计算参数。
 
NPD
图1: Tj和Ta示意图
 
  (3) Tc(Package Case Temp):芯片封装表面温度。带散热片的大功率器件一般以这个为技术参数。
  (4)Tb(Ambient board Temp):安装芯片的PCB表面温度。
 
NPD
图2: Tc和Tb示意图
 
  最重要的概念:热阻
  当热量在物体内部以热传导的方式传递时,遇到的阻力称为导热热阻,热量在热流路径上遇到的阻力,反映介质或介质间的传热能力的大小,表明了 1W热量所引起的温升大小,单位为℃/W。
 
三个重要的热阻:
  (1)热阻Rja:芯片的热源结(junction)到周围冷却空气(ambient)的总热阻,
  (2)热阻Rjc:芯片的热源结到封装外壳间的热阻,这个是最常用和有用的热阻。
  (3)热阻Rjb:芯片的
  结与PCB板间的热阻.
  由下图的热阻#模型可以清晰看出,芯片内核的发热路径是:核心—封装表面——PCB——空气。
 
NPD
图3: 热阻的模型
 
二、热阻的计算公式
  了解了上述这么多术语、理论,我们最重要的目的是:我们当前设计的功率条件下,当前实测的芯片封装温度是否满足最大结温的要求。读者一定要认真读这句话,包含3个含义:
  (1)当前的设计功率:因为我们的设计往往都不是在最大功率下,而是有降额,例如一个NMOS最大可以3A,实际我们最大是1A,按照当前1A计算功耗的温度才有意义。
  (2)芯片的封装温度Tc:因为测试芯片温度的方法有很多,内核温度Tj测试基本是不可能的,最容易最简单就是直接测试芯片封装表面或者空气的温度,计算热阻的路径也最简单。
  (3)满足最大结温要求:我们所有的计算目的,就是将当前的功率、当前的表面温度,折算成芯片内部的核心温度Tj,一般厂家都会给出Tj,即使不给 Tj,我们可以根据硅管最大结温150℃估算。
  热阻的重要基本计算公式:
  Tc(max) =Tj - P*Rjc;其中: ---------①
  Tc(max): 芯片封装表面允许的最大温度;
  Tj:结温温度,芯片内核允许的最大温;
  P:芯片的实际功耗;
  Rjc:芯片的内核-封装表面的热阻。
  公式①中提供的是基本的计算公式, 前提条件是散热片足够大并且接触良好才成立的,
  Tcmax =Tj - P*(Rjc+Rcs+Rsa).---------②
  Tc(max): 芯片封装表面允许的最大温度;
  Tj:结温温度,芯片内核允许的最大温;
  P:芯片的实际功耗;
  Rjc:芯片的内核----封装表面的热阻。
  Rcs:表示外壳----散热片的热阻
  Rsa:表示散热片的热阻
 
三、热阻的计算举例
  为了让读者更加容易理解,我们举一个实例,以三级管2N5551为例。
  
NPD
图4: 2N5551 热阻参数
 
  规格书中有几个关键的参数:
  25度(Tc)时的功率是1.5W(P),功率降额是12mW/℃,Rjc是83.3℃/W,RJA是200℃/W,结温是150℃,这些参数后面计算都会用到。
  假设:三极管的实际使用功率是1.2W,实际测试到的壳温是60℃,请问温度是否超标?
  根据公式Tc(max) =Tj - P*Rjc,Tj=60+1.2*83.3=159.96,芯片内核温度超过了芯片的结温,设计是不合理的。我们也可以从厂家的另一个参数,功率降额是12mW/℃,60℃时的降额是:60-25)×0.012=0.42W,1.5w-0.42W=1.08W,要求芯片的最大的功率不能超过1.08w,上述的1.2W是超标的。
 
四、热阻的计算分类
  上述科普了热阻的基本计算方法,实际应用中,业内比较认可的计算方法有两种:把半导体区分为大功率和小功率。
  大功率半导体热阻计算:
  功率器件的额定功率一般是指带散热器时的功率,散热器足够大时且散热良好时,可以认为其表面到环境之间的热阻为0,所以理想状态时壳温即等于环境温度.功率器件由于采用了特殊的工艺,所以其最高允许结温有的可以达到175度。但是为了保险起见,一律可以按150度来计算(规格书有数值是以厂家数据为准).适用公式:Tc =Tj - P*Rjc.设计时,Tj最大值为150,Rjc已知,假设环境温度也确定,根据壳温即等于环境温度,那么此时允许的P也就随之确定。
  小功率半导体热阻计算:
  比如小晶体管,IC,一般使用时是不带散热器的。所以这时就要考虑器件壳体到空气之间的热阻了。一般厂家规格书中会给出Rja,即结到环境之间的热阻.(Rja=Rjc+Rca)。小功率半导体器件要用到的公式是: Tc =Tj - P*Rja。 Rja:结到环境之间的热阻.一般小功率半导体器件的厂家会在规格书中给出这个参数。2N5551的Rja厂家给的值是200度/W。已知其最高结温是150度,那么其壳温为25度时,允许的功耗可以把上述数据代入Tc =Tj - P*Rja 得到 25=150-P*200,得到P=0.625W。事实上,规格书中就是0.625W.因为2N5551不会加散热器使用,所以我们平常说的2N5551的功率是0.625W而不是1.5W!还有要注意,SOT-23封装的晶体管其额定功率和Rja数据是在焊接到规定的焊盘(有一定的散热功能)上时测得的。
 
五、热阻的应用总结
  热阻的的计算的应用一般可以总结成以下几个场景:
  (1) 已知结温Tj、热阻Rja、实际运行功率,求实际芯片表面温度是否超标
  根据公式 Tc =Tj - P*Rja,可以计算出当前功率条件下允许的最高壳温,超过此温度时不符要求。
  (2) 假设厂家没有给出结温Tj,只给出常温25℃最大功率,求热阻Rjc
  结温Tj一般按照硅管结温150℃,可以利用公式Rjc=(Tj-Tc)/P,例如三极管2N5551,25℃最大功率为1.5W,则Rjc=(150-25)/1.5=83.3℃/W
  (3) 环境降额系数和热阻的关系
  降额系数其实就是对应热阻的倒数,例如2N5551在Tc=25℃时的额定功率为0.625W,Rjc=83.3℃/W,其壳温降额系数Kc=1/83.3=0.012W/℃
  (4) 环境降额系数和设计降额关系;
  上述的环境降额系数是温升计算的系数,实际设计降额,还要和各个公司的设计规范,降额0.5~0.8使用。
  (5) 大功率器件不带散热器使用,最大允许功率怎么计算
  大功率器件不带散热器使用,只能沿用小功率器件的计算公式:Tc =Tj - P*Rja。变形得:P=(Tj-Ta)/Rja。举例子:BU406的额定功率为60W(Tc=25℃)。Rja为70℃/W,最大结温Tj为150℃。25℃时最大允许的功率为:P=(150-25)/70=1.78W,可见大功率器件不装散热片,相同温度下,最大允许功率直接从60W降低到1.78W。
  (6) 最大存储温度和结温的关系
  最大允许储存温度时,功率P当然为0,所以公式变为Tcmax =Tjmax - 0*Rjc,即Tcmax =Tjmax,即存储温度等于结温温度,但是实际规格书中,厂家一般为例考虑长期存储的可靠性,对存储温度有很大的降额,例如结温可达110℃,要求存储温度才80℃。
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