热分析丨壳温与结温
1989年，美国空军航空电子完整性计划曾经对电子产品失效原因做过统计，电子设备失效约55%是由于温度过高导致的[1]。随着芯片制造工艺快速发展，尺寸越来越小，芯片动态动态功耗会下降，但静态功耗比例会上升，同时随着温度升高，静态功耗呈指数上升。所有热设计的核心问题都是元件结温！热控设计目标也是控制结温，找到结温问题的关键就是理解热阻[2]。1 芯片发热的热传递过程举个例子：GAL 内部的芯片与元器件外部尺寸相比小很多，封装后阻碍热量传递，芯片温度升高，直接影响芯片使用寿命，因此监测芯片发热温度十分必要，然而发热芯片真实温度是难以测量的。通过下图，认识一下封装后芯片热量传递过程。从芯片层面的封装特征来总结，热量的传递主要有三条路径[1]。（1）热量从die通过封装材料传导到其他表面然后，通过对流换热/辐射换热散到周围环境中；（2）热量从die到焊盘，然后又连接到焊盘的印制电路板进行对流/辐射散热；（3）die热量通过引线的引脚传导PCB上散热。2 芯片热阻三种计算方法芯片产品说明中，对散热设计有用的三个值为：功耗、温度要求和热阻参数。芯片的温度通常根据不同位置命名为：芯片结温、壳温、底部温度、顶部温度等多个温度概念。2.1 结到环境热阻ΘJA指的是芯片表面与周围环境的热阻，单位是℃/W。周围环境通常认为是热量的最终目的地。取决于IC封装，电路板、空气流通、辐射和系统特性。（强迫对流换热时，辐射换热可以忽略）ΘJA=（Tj-Ta）/P式中：Tj为测得芯片的结温；Ta为芯片所处的环境温度；P为芯片功耗。注意：① ΘJA与测量设置条件有关，该数值对于具体的热设计方案有非常有限的参考价值。 它仅可以用于定性地比较封装散热的容易与否。② 环境温度Ta的定义是没有明确定义的。从定义上Ta的描述是芯片所处的环境温度，然而这环境温度变化是非常大的，距离芯片近的位置温度高一些，远的位置温度低一些。那么究竟要距离多远，在什么位置测量，是没有明确定义的；③ 环境温度数据往往是制造厂商提供，在标准测试试验环境得到数值，然而实际使用环境温度会与测试环境差异巨大；④ 一旦有强制对流散热时，一切开始彻底失控，测试提供的结环热阻得到的结点温度会比实际使用时低得多。※ 因此，不会用上述公式计算结点温度。2.2 ΘCA-壳到环境热阻ΘCA是芯片封装表面到周围环境的热阻，单位是℃/W。显然，ΘCA与ΘJA有相似的的物理意义，只是芯片侧的温度变成了芯片封装表面的温度，根据热阻定义可知，这一值的具体测试换算公式ΘCA=（Tc-Ta）/P式中：Tc为测得芯片的结温；Ta为芯片所处的环境温度；P为芯片功耗。和RJA相似，这一数值与测量的具有设置条件有关，因此这一数值参考价值也非常有限。2.3 ΘJC-结壳热阻ΘJC是芯片表面到封装外壳的热阻，外壳可以看作是封装外表面的一个特定点。ΘJC=（Tj-Tc）/PΘJC是芯片热特性的关键参数之一，是对芯片进行散热强化设计的重要参数指标。注意：① ΘJC取决于封装材料的（引线框架、模塑材料、管芯粘接材料）和特定的封装设计（管芯厚度、裸焊盘、内部散热过热孔、金属材料热传导率）。② 对于带有引脚的封装设计， ΘJC在外壳上的参考点位于塑料外壳延伸出来的引脚1，在标准的塑料封装中，ΘJC的测量位置在引脚处。③ 该值主要用于评估散热片的性能，在测试结壳热阻时，测试装置会迫使芯片热量全部从芯片顶部散失（即芯片底部绝热）。2.4 ΘJB-结板热阻ΘJB是指芯片到电路板的热阻，是芯片散热强化设计的另一关键参数。ΘJB=（Tj-Tb）/PΘJB对芯片电路板的热通路进行量化，表达芯片内部热量到单板一侧的传热阻力。注意：① ΘJB包含两方面热阻：从芯片表面到封装底部参考点的热阻，以及贯穿封装底部的电路板热阻。② 相对结壳热阻，结板热阻定义提出比较晚，且部分传热路径严重不对称的芯片，目前尚无该热阻的定义标准。3 结点温度获得方法实验测量时，由于芯片结埋藏在芯片中心，因此很难用传统的热电偶测得其温度。“就像你测量心脏的温度，除非切开你的胸腔， 并且在你跳动的心脏上贴一个传感器。切开一个封装的元器件， 并将探针贴在硅片上的难度可要大得更多。[2]”而芯片的壳温却很容易测得，利用上述一系列热阻公式，就可以方便地根据测得的温度和热耗数据，反推出芯片结温。（1）结温：Tj=Ta+（ΘJA.P）（式1）式中，Tj为结温，Ta为周围环境温度，P为功耗，单位W。（2）结温：Tj=Tc+（ΘJC.P）（式2）式中，Tj为结温，Tc为封装表面温度，P为功耗，单位W。注意：使用这一公式推算的结温要比实际值大，因为实际过程中，芯片发出的公号不可能全部经由芯片顶壳传出。（3）结温：Tj=Tb+（ΨJB.P）（式3）式中：Tb为距离封装小于1mm处的电路板温度。（4）结温：Tj=Tt+（ΨJT.P）（式4）式中：Tt为封装顶部的中心处测得的温度。注意：上述公式中用到的所有热阻参数通常会在元器件规格书中出现。查表计算更接近实际温度，但仍推荐用结壳热阻公式计算。（安全）比如像下表这种。4 应用如何获得准确的芯片结温呢？可以利用非接触式测温设备红外热像仪，获得芯片发热温度。专业的电子热分析软件获得结温，Icepak提供官方案例。芯片结构如下图所示。使用热分析软件是可以获得芯片结温的，可以看到芯片周围空气温度梯度还是蛮大的，因此用周围环境计算结温是非常不合适的。 参考书籍1《从零开始学散热》（中规中矩）2《寻找热量的足迹》（强推！）3《笑谈热设计》（强推！） 来源：认真的假装VS假装的认真
