熱參數(shù)概述
　　倒裝芯片 IC 封裝的熱特性通過其 θ JA、 Ψ JT和 Ψ JB參數(shù)來表征。θ JA是結(jié)點(diǎn)至環(huán)境熱阻（以 °C/W 為單位），這是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)參數(shù)，很大程度上取決于系統(tǒng)屬性，例如安裝部件的 PCB 的設(shè)計(jì)和布局。該板充當(dāng)焊接到設(shè)備引線的散熱器。對(duì)于自然對(duì)流換熱，90% 以上的熱量由電路板散發(fā)，而不是從封裝表面散發(fā)。θ JA可由式（1）計(jì)算：

　　θ J A  T J  T A P D

　　θJA-時(shí)間J-時(shí)間A磷D

　　(1)
　　其中 TJ 是結(jié)溫（以 °C 為單位），TA 是環(huán)境溫度（以 °C 為單位），PD 是器件的散熱量（以 W 為單位）。
　　Ψ JT是測(cè)量 T J與封裝頂部溫度之間的溫度變化的特性參數(shù)（以 °C/W 為單位）。由于從芯片流到封裝頂部的熱量未知，Ψ JT并不是真正的結(jié)到頂部熱阻，但電路設(shè)計(jì)者假設(shè)它是器件的總功率。盡管這個(gè)假設(shè)無(wú)效，但ΨJT仍然是一個(gè)有用的參數(shù)，因?yàn)樗奶匦耘cIC封裝的應(yīng)用環(huán)境相似。例如，較薄的封裝具有較小的 Ψ JT值。
　　請(qǐng)注意，由于電路板結(jié)構(gòu)和氣流條件，Ψ JT略有不同。Ψ JT可以用方程（2）估計(jì)：

　　Ψ J T T JT C P D

　　ΨJB 可以讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員根據(jù)電路板的測(cè)量溫度來計(jì)算器件的結(jié)溫。ΨJB 矩陣應(yīng)接近 θ JB，因?yàn)?PCB 散發(fā)了器件的大部分熱量。T J可由式(3)計(jì)算：

　　T J = T P C B +( Ψ J B X P D )

　　(3)

　　其中 T PCB是接近封裝裸露焊盤的電路板溫度（以 °C 為單位）。

   　圖 1 顯示了解釋結(jié)點(diǎn)至環(huán)境熱阻的圖表。

　　較低的 θ JA主要是通過降低 PCB 熱平面的電阻來實(shí)現(xiàn)的。在傳導(dǎo)是主要傳熱方式的應(yīng)用中（意味著對(duì)流冷卻受到限制），PCB 的電源平面面積對(duì) θ BA的影響為顯著
　　熱性能
　　在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等應(yīng)用中，高功率脈沖寬度僅限于幾十或幾百毫秒，這意味著設(shè)計(jì)人員必須考慮熱電容的影響。如果熱容足夠大，即使存在高耗散峰值，它也可以限制結(jié)溫保持在器件的額定值范圍內(nèi)。適當(dāng)?shù)臒峁芾砜梢蕴岣咴O(shè)備的性能和可靠性。
　　熱量傳遞有三種機(jī)制：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。
　　傳導(dǎo)
　　傳導(dǎo)很重要，因?yàn)榻K散熱的是表面積。通過傳導(dǎo)，熱量散布到所需的表面積。通過傳導(dǎo)進(jìn)行的傳熱受傅里葉定律支配，該定律指出，通過材料的熱流速率與材料的橫截面積和材料上的溫差成正比；相反，熱流與材料的厚度成反比。某些材料（例如銅）比其他材料（例如 FR4）更有效地導(dǎo)熱。表 1 顯示了不同材料的導(dǎo)熱系數(shù) (K)。這些常見材料具有顯著不同的導(dǎo)熱系數(shù)。

　　

　　對(duì)流是將熱量從材料表面轉(zhuǎn)移到空氣中的方法。溫升是功耗的函數(shù)，與表面積和傳熱系數(shù) (h) 成反比。h 是空氣速度以及電路板與環(huán)境空氣之間的溫差的函數(shù)。
　　輻射
　　熱輻射涉及通過電磁波傳遞熱量。熱流率與表面積和輻射元件（例如板、元件）的溫度的四次方成正比。
　　通過傳導(dǎo)進(jìn)行傳熱適用于高功率應(yīng)用中的半導(dǎo)體。IC 封裝熱性能的標(biāo)準(zhǔn)描述 θ JA對(duì)于脈沖應(yīng)用幾乎沒有幫助，并且會(huì)導(dǎo)致冗余和令人望而卻步的熱設(shè)計(jì)。
　　相反，設(shè)備的完整熱阻抗可以通過組合兩個(gè)元素來建模：熱阻和熱容。

　　熱容 (C TH ) 是衡量組件積熱能力的指標(biāo)，類似于電容器積聚電荷的方式。對(duì)于給定的結(jié)構(gòu)元件，C TH取決于比熱 (c)、體積 (V) 和密度 (d)。C TH（以 J/°C 為單位）可通過公式 (4) 估算：

τ = θ × C

<font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;">τ</font><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;">=</font><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;">θ</font><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;">×</font><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;">C</font>

(4)　

　給定應(yīng)用的熱行為（由有源器件、封裝、PCB 和外部環(huán)境組成）的電氣類比是一串 RC 單元，每個(gè)單元都有一個(gè)特征時(shí)間常數(shù) (τ)。τ可由式(5)計(jì)算：

t P值? ? →無(wú)窮大Z T H ( J A ) = θ J A

<font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;"><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;">t</font></font><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;"><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;">磷</font></font><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;"><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;">→</font></font><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;"><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;">林</font></font><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;">無(wú)窮大</font><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;"><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;">Z</font></font><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;"><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;">時(shí)間</font></font><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;"><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;">H</font></font><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;"><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;">（</font></font><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;"><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;">J</font></font><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;"><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;">A</font></font><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;"><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;">）</font></font><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;">=</font><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;"><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;">θ</font></font><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;"><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;">J</font></font><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;"><font style="box-sizing: inherit; border: 0px solid rgb(192, 192, 201); vertical-align: inherit;">A</font></font>

    圖 2 使用簡(jiǎn)化的電氣模型顯示了每個(gè)單元如何影響封裝器件的瞬態(tài)熱阻抗。

　　圖 2.簡(jiǎn)化的等效熱電路。圖片由博多電力系統(tǒng)提供
　　脈沖功率操作
　　當(dāng)功率器件承受脈沖負(fù)載時(shí)，它可以支持更高的峰值功耗。功率封裝具有一定的熱容量，這意味著即使設(shè)備中消耗過多功率，也不會(huì)立即達(dá)到臨界 TJ。對(duì)于間歇操作，功耗限制可能會(huì)延長(zhǎng)。延長(zhǎng)的時(shí)間長(zhǎng)度取決于操作周期的持續(xù)時(shí)間（也稱為脈沖持續(xù)時(shí)間）和操作發(fā)生的頻率（也稱為占空比）。

　　如果設(shè)備通電，芯片會(huì)立即開始預(yù)熱（參見圖 3）。

　　圖 3. 模具加熱/冷卻：?jiǎn)蚊}沖。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]
　　如果功率繼續(xù)耗散，則發(fā)熱和散熱之間會(huì)達(dá)到平衡，從而穩(wěn)定TJ。一些熱能由設(shè)備的熱容量存儲(chǔ)。穩(wěn)定條件由熱阻決定，熱阻與晶體管及其熱環(huán)境相關(guān)。
　　當(dāng)功率停止耗散時(shí)，設(shè)備就會(huì)冷卻，并且加熱和冷卻定律相同（見圖 3）。然而，如果功耗在晶體管溫度穩(wěn)定之前停止，則 T J的峰值將低于相同水平的連續(xù)功耗所達(dá)到的值（參見圖 3）。

　　如果第二脈沖與脈沖相同，則裝置在第二脈沖結(jié)束時(shí)達(dá)到的峰值溫度大于在脈沖結(jié)束時(shí)的峰值溫度。額外的脈沖不斷累積，直至溫度達(dá)到新的穩(wěn)定值（見圖 4）。在這些穩(wěn)定的條件下，設(shè)備的溫度會(huì)在平均值上下波動(dòng)。

　　圖 4. 模具加熱/冷卻：重復(fù)脈沖。圖片由博多電力系統(tǒng)提供

　　圖 5. 短單功率脈沖。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 

　　圖 6. 長(zhǎng)單功率脈沖。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]

　　如果一系列脈沖后的結(jié)溫變得過高（例如，TJ > 125°C），則器件的電氣性能和預(yù)期壽命可能會(huì)降低。即使平均功率低于設(shè)備的直流額定值，低占空比的高功率脈沖也會(huì)發(fā)生這種情況。圖 5 顯示了一個(gè)短的單功率脈沖。
　　隨著脈沖持續(xù)時(shí)間的增加，TJ 在脈沖結(jié)束時(shí)接近固定值（見圖 6）。
　　熱阻抗 (Z TH(JA) ) 反映了功率脈沖產(chǎn)生的溫升。該熱阻抗提供了一種簡(jiǎn)單的方法來估計(jì)瞬態(tài)功耗條件下器件的結(jié)溫。

　　瞬態(tài)熱阻抗趨向于等于連續(xù)功耗的熱阻，用公式 (6) 估算：

　　圖 7.瞬態(tài)阻抗 Z TH(JA)與時(shí)間的關(guān)系。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  
　　隨著重復(fù)率變小，結(jié)點(diǎn)往往會(huì)在脈沖之間完全冷卻，以便可以單獨(dú)處理每個(gè)脈沖。
　　對(duì)于電源封裝，瞬態(tài)熱效應(yīng)會(huì)在大約 0.1 至 100 秒內(nèi)消失。該時(shí)間取決于芯片尺寸、封裝類型和尺寸。另外，它受PCB層疊和布局的影響也很大。
　　PCB 充當(dāng)散熱器，為 IC 封裝提供有效將熱量傳遞到電路板和鄰近環(huán)境的路徑。因此，化封裝的電源和接地引腳所在的金屬跡線面積對(duì)于有效的熱傳遞非常重要。
　　封裝的熱性能不會(huì)受到 T A和 P D的太大影響。在此期間持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)的功率脈沖具有類似于連續(xù)負(fù)載的效果。