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芯片散热机理

11月前浏览14692

翻译自瑞萨电子官网，供学习参考,欢迎交流~

封装的重要功能之一是消散它们所容纳的半导体器件产生的热量。

发热

当电流流过电路中的电阻器时，会产生热量。

半导体器件可以看作是一种电阻器，当电流流过时，它产生的热量与导通电阻（电流流过器件时的内阻）成正比。

热量会对半导体器件本身以及使用该器件的电子系统产生不利影响。特别是，它可能会严重损害安全性、性能和可靠性。

散热设计不当导致的过热可能会导致冒烟或着火，并降低设备的性能，例如减慢其运行速度，在最坏的情况下，损坏设备或使其无法运行。即使可以避免最坏的情况，可靠性也会因设备故障和系统寿命缩短而受到不利影响。

为了避免这些不利影响，热设计对于半导体封装至关重要。

热量以三种方式传递：传导、对流和辐射。下图显示了在包括印刷线路板（PWB）和大气在内的实际操作环境中，热量如何从源头（即芯片）流向最终目的地大气。

热量以三种方式释放：传导、对流和辐射。

图1 散热路径及热阻成因

由于热辐射只有在封装表面积足够大时才有效，因此下图所示的以下三种路径是散热的主要贡献。

图 2 热流路径

在这三条路径中，通过的散热路径是最有效的，根据一些计算，占总散热的80%。对散热的实际分析表明，当 352 引脚 PBGA 安装在 4 层上时，90% 的热量是通过 4 层释放的，只有 10% 的热量从封装表面散发。

下面根据JEDEC规范显示热阻的测量方法和定义。

图3 热阻和热特性参数的定义

θj	θja是封装安装在PWB上时芯片结温与环境温度之间的热阻。自然对流或强制对流将适用于测量条件。θja用于比较各种封装之间的热性能。
Ψjt， Ψjb	Ψjt 是相对于器件总功耗（P）的热特性参数，表示芯片结点（Tj）与封装顶面中心（Tt）之间的温差。Ψjb 是相对于器件总功耗（P）的热特性参数，表示芯片结点（Tj）和靠近封装的 PWB 结点之间的温差（Tb）。Ψjt 和 Ψjb 用于从 P、Tt 和 Tb 估算 Tj
θjc， θjb	θjc 是当整个热量从结点流向顶部封装表面时 Tj 和封装表面温度（Tc）之间的热阻。θjc主要用于双电阻模型中，用于估计大部分热量从结点流向顶部封装表面时的Tj。θjb 是当整个热量从结点流向 PWB 时 Tj 和 Tb 之间的热阻。θJB用于双电阻模型。

参考编号： JEDEC JESD51

笔记：

除了稳态热阻外，瞬态热阻对于分立器件和功率器件也至关重要，因为它们的热量发射较高。

分立器件热阻的定义

图4 分立器件热参数定义

	象征	描述
额定功率	PT或Pch	PT或Pch是适用于分立器件的功率上限，主要由散热能力决定。
	TC或 Tc	TC 或 Tc是封装底面中心点或漏极引线根部的温度。 *：C或C：大小写
	TA或 a	TA或 a是环境温度 *： A 或 a：环境
额定温度	Tch（max）	Tch（max）是MOSFET沟道（芯片）的上限温度。通常它被指定为
额定温度	TSg	T stg 是存储MOSFET器件或包含MOSFET的模块或器件的允许温度范围。
瞬态热阻	rth(t)	rth(t)是矩形脉冲电源功率损耗的热导率的倒数。
稳态热阻	R th(ch-C) 或 θ ch-c	R th(ch-C) 或 θ ch-c是通道和外壳之间的热阻。
	R th(ch-A) 或 θ th	R th(ch-A) 或 θ th是通道与环境温度之间的热阻。
	R th(ch-C) 或R th(ch-A) 可以从绝对最大额定值，PT和Tch(max) 中获得，根据以下公式。 *：符号可能因产品而异。