半导体和IC的温度衡量标准.docx

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半导体器件和IC封装温度的衡量
源于TI的AN:SPRA953B
1. θja： Junction to ambient θjma: Junction to Moving Air
Junction到ambient的热阻是θja，这个参数的测量需要在满足JEDEC的EIA/JFSD 51的实验条件下去测量，才有实际应用价值。所以通常情况是除非测试条件明确标注，否则一般不用θja。
θja的测试步骤：（根据EIA/JFSD 51-1）
a. IC要焊接在一个既可以散热又可以测量温度的试验台上。
b. 测量温度的传感器要先校准。
c. 封装或者测试板要放在静止的空气(θja)或者流动的空气(θjma)环境中。
d. 知道芯片耗散的功率有多少。
e. 达到稳态之后再去测量结温。
f. 测试的环境温度和测试的结温之间的误差除以耗散的功率就是θja，单位是℃/W。
1.1 θja不仅仅受封装的影响，还受到很多其他系统特性的影响，比如电路的布局。测试板相当于一块散热片，而芯片放在不同的板材上，那么散热的效果不同，测试得到的θja也是不同的。实际上， 在静态空气中按照JEDEC的标准去测试的θja，芯片产生的热量有70~95%是通过测试板消散的，而不是通过芯片的表面去散热的。因此不能使用下面的公式去计算：

下表列出了在所有材料都相同的情况下，各个因素对θja的影响：

由于θja并不是芯片封装本身的特性，而是已经将封装、PCB和其他外在因素也考虑在内，因此可以用于和其他公司的芯片进行比较。
1.2 测试电路板的影响
一个单层板和一个4层板对比，对于同样的封装的芯片，温差最大达到了50%。如下图所示：

可见，不同封装的芯片，1层板的温度都要比4层（2层信号2层功率）板高。
1.3 芯片大小的影响
芯片内部的封装的焊盘大小对于θja的影响是双倍的。一方面，它能把芯片内部的能量从比较热的点传播到更广的范围内，另一方面，它又可以将热量更好地传递到芯片的引脚和焊球上，之后再传导到PCB上。下图显示的是芯片尺寸对温度的影响，可以看到，尺寸不同，温度相差可以达到8倍。

1.4
1.5 纬度
纬度不同，环境也会不一样。
1.6 环境温度
θja会随着环境温度的变化而变化。TI的温度实验室显示，在环境温度从0度到100度变化时，θja会有10~20%的提高，θja在100度时，比在0度的环境温度下要提高了20%左右。
1.7 Power Dissipation
当封装的功耗增倍时，θja可能会增加3%左右。封装的温度越高，芯片向周围散热的效率越高。

2. θjc和θja
θja=θja+θca。但是这个式子现在已经没有太大意义了，在过去芯片都是金属封装，芯片与PCB板之间没有太多热耦合的情况下，可以使用这个式子，而且可以使用下式来进行温度计算：

这个公式是没有太大价值的，因为对于塑封的芯片，只有很少一部分的能量是会对流或者传递到封装的表面，很多的模型中，60~95%的热量都直接传导到直接与芯片接触的PCB上。如果直接使用上式去计算，认为所有的热量都通过芯片外壳散发出去，那么计算出来的结温要比实际的结温要高。不过在使用散热片时，还是要使用θjc。

其中θsa是sink-to-ambient的热阻，θcs表示case-to-sink的热阻。此时在计算θsa使用的环境温度，测试点要稍微远离散热片。上面这个公式比较准确，因为θjc比θja要小，这也意味着在使用有效的散热片时，热量都通过芯片的外壳到散热片散发出去了。下面这个公式能够更精确地表述，不管θja，θjc，θsa如何组合。（前提是θja是按照当前的系统测试得出的）

得到θcs的最好方法是通过测试，如果不方便测试，那么可以使用下式来计算

3. Ψjt：Junction-to-top of package
这个参数可以被用户用来估算芯片的结温，但是仅限于没有带散热片的。如果带散热片还是要使用前面的公式去计算。

对于塑封的来说，可能使用上述公式来估算。一般塑封的Ψjt典型值是0.5-2.0 ℃/W，而θjc的值在4-15℃/W。封装越薄，Ψjt值越小，封装内部有金属小块的，其Ψjt值可以接近于0。需要注意的是，Ψjt既与板子的结构有关，也与空气的流动情况有关。

在测量壳温时，需要注意壳温定义的是器件top的最热点的温度。在大多数情况下，这个点是在芯片的表层或者壳子的正中。当使用热电耦去测试时，需要注意热电耦的线径不能太粗（36(0.127mm)到40(0.0799mm)号线材，按照AWG标准），如果线径太粗，热电耦的线会从表面传导一部分热量走，从而使得被测量点的温度偏低，从而影响到上式计算的结温。
使用热电耦来测试壳温时，要使用导热环氧树脂把热电耦贴在封装的表面，环氧树脂颗粒的大小不能超过2×2mm。不建议用胶带把热电耦粘上去。为了尽可能地减小热电耦的导热性，热电耦的线要沿着对角线走到PCB板的表面，在离开PCB之前至少走25mm，这样才可以使用胶带来固定。使用热电耦方法不当，测量误差可能会有5~50%。
Ψjt并不是一个真正的热阻，下面是Ψjt的测试方法。在测试过程中，产生的热量还是按原来的传递路径耗散，但是从芯片传递到封装顶部的实际热量是无法测量的，在这里是假设全部热量都传递到封装顶部。不过，因为在测试时候的条件与实际工作时候的条件基本相同，即芯片耗散这么多功率，从芯片内部传递到顶部的热量是一样的，因此在这种条件下计算的Ψjt还是颇有参考价值的。

4. θjb: Junction-to-board
我们想用junction-to-board或者junction-to-pin的热阻来代表封装和板之间的热阻。但是，实际上，结到板之间的热阻是分布式的，不同的路径不同的热阻，比如junction-to-pin-to-board，或者junction-through-plastic-through-air-to-board。
5. Ψjb: Junction-to-board
在概念上，Ψjb与Ψjt的定义相似。同样的，有类似的公式：

而且，Ψjb和θjb很接近，因为75~95%的器件热量都是通过PCB耗散的。

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