【導讀】瞬態熱阻抗用於衡量器件被施加脈衝功率時的表現，它決定了器件在低占空比和低頻脈衝負載下的表現方式，因此非常重要。

IC 封裝有許多熱指標，例如 θ_JA 和 Ψ_JT。這些參數使穩態下的結溫估算變得非常簡單。本文將討論熱瞬態行為以及熱阻抗的相關基本理論。

熱參數概述

倒裝芯片封裝的熱特性由參數 θ_JA、Ψ_JT 和 Ψ_JB 表征。θ_JA 是結至環境熱阻（以 °C/W 為單位）
，它是係統級參數

，在很大程度上取決於係統屬性
，如安裝該器件的 PCB 設計及布局。其中，電路板被當作焊接到器件引線上的散熱器。對自然對流傳熱而言


，90% 以上的熱量都由電路板散發

，而不是從封裝表麵散發。 θ_JA 可通過公式（1）來計算：

其中
，T_J 為結溫（°C），T_A 為環境溫度（°C），P_D 為器件的散熱量（W）。

Ψ_JT 是表征 T_J 與封裝頂部溫度之間溫度變化的特性參數（以 °C/W 為單位）。由於從芯片流向封裝頂部的熱量未知

，所以 Ψ_JT 並不是真正的結至頂部熱阻
，但電路設計人員常假定它是器件的總功率。盡管該假設是無效
，但 Ψ_JT 仍是一個有用的參數，因為其特性與 IC 封裝的應用環境極為相似。例如，較薄的封裝具有較小的 Ψ_JT 值。

但要注意
，Ψ_JT 會根據電路板結構和氣流條件的不同而略有不同。利用公式（2）可估算 Ψ_JT：

而有了 Ψ_JB
，係統設計人員就可以根據測得的電路板溫度來計算器件的結溫。Ψ_JB 指標應接近 θ_JB，因為 PCB 已耗散了大部分的器件熱量。T_J 的計算公式（3）如下：

其中，T_PCB 是接近封裝裸焊盤處的電路板溫度（°C）。 圖 1 解釋了什麼是結至環境熱阻。 

圖 1: 結至環境熱阻

通過降低 PCB 散熱平麵的電阻可以實現較低的 θ_JA 。以傳導為主要傳熱方法（這意味著對流冷卻法受限）的應用中，PCB 的電源平麵麵積對 θ_BA 的影響最為顯著。

熱特性

在zai電dian機ji驅qu動dong器qi等deng應ying用yong中zhong
，高gao功gong率lv脈mai衝chong寬kuan度du都dou限xian製zhi在zai幾ji十shi或huo幾ji百bai毫hao秒miao以yi內nei


，這zhe意yi味wei著zhe設she計ji人ren員yuan必bi須xu重zhong視shi熱re容rong的de影ying響xiang。如ru果guo熱re容rong足zu夠gou大da
，它ta可ke以yi將jiang結jie溫wen控kong製zhi在zai器qi件jian的de額e定ding值zhi範fan圍wei之zhi內nei，即ji使shi存cun在zai高gao耗hao散san峰feng值zhi也ye是shi如ru此ci。因yin此ci，恰qia當dang的de散san熱re管guan理li可ke提ti高gao器qi件jian的de性xing能neng與yu可ke靠kao性xing。

熱量的傳遞有三種方式：傳導、對流和輻射。

傳導

傳(chuan)導(dao)是(shi)一(yi)種(zhong)重(zhong)要(yao)的(de)傳(chuan)熱(re)方(fang)式(shi)
，因(yin)為(wei)最(zui)終(zhong)熱(re)量(liang)是(shi)通(tong)過(guo)表(biao)麵(mian)麵(mian)積(ji)散(san)發(fa)的(de)。通(tong)過(guo)傳(chuan)導(dao)，熱(re)量(liang)才(cai)能(neng)散(san)布(bu)到(dao)所(suo)需(xu)的(de)表(biao)麵(mian)。通(tong)過(guo)傳(chuan)導(dao)進(jin)行(xing)的(de)熱(re)傳(chuan)遞(di)遵(zun)循(xun)傅(fu)立(li)葉(ye)定(ding)律(lv)，該(gai)定(ding)律(lv)指(zhi)出(chu)，通(tong)過(guo)材(cai)料(liao)的(de)熱(re)流(liu)率(lv)與(yu)材(cai)料(liao)的(de)橫(heng)截(jie)麵(mian)積(ji)以(yi)及(ji)材(cai)料(liao)兩(liang)端(duan)的(de)溫(wen)差(cha)成(cheng)正(zheng)比(bi)
；相反
，熱流與材料的厚度成反比。有些材料（例如銅）相比其他材料（例如 FR4）導熱更快。表 1 顯示了不同材料的導熱係數 (K)。這些常見的材料具有明顯不同的導熱係數。

表 1: 不同材料的傳導率

對流

對流是將熱量從材料表麵傳遞到空氣中的方法。溫升是功率耗散造成的結果，它與表麵積和熱傳遞係數 (h) 成反比。h 則是風速以及電路板與環境空氣之間溫差的函數。

輻射

熱輻射包括通過電磁波傳遞熱量。其熱流率與表麵積成正比，與輻射元件（例如電路板、組件）溫度的四次方成正比。

通過傳導進行熱傳遞最適於高功率應用中的半導體。作為 IC 封裝的熱性能的標準描述，θ_JA 在脈衝應用中作用不大，甚至還會導致冗餘或高成本的散熱設計。

但通過結合熱阻和熱容，可以對器件的完整熱阻抗進行建模。

熱容 (C_TH) 是衡量組件積熱能力的指標
，它類似於電容積累電荷的方式。對於給定結構的元素
，C_TH 取決於比熱 (c)
、體積 (V) 和密度 (d)。其計算公式 (4) 如下（以 J/°C 為單位）：

一個特定應用的熱行為（包括有源器件、封裝、PCB 和外部環境）在電氣域可類比為一串 RC 單元，每個單元都有一個特征時間常數 (τ)。 該常數可用公式（5）計算：

圖 2 通過一個簡化的電氣模型展示了每個單元如何影響封裝器件的瞬態熱阻抗。 

圖 2: 簡化的等效熱電路

脈衝功率操作

當dang功gong率lv器qi件jian承cheng受shou脈mai衝chong負fu載zai時shi，它ta可ke以yi支zhi持chi更geng高gao的de峰feng值zhi功gong率lv耗hao散san。功gong率lv封feng裝zhuang具ju有you一yi定ding的de熱re容rong量liang，這zhe意yi味wei著zhe即ji使shi器qi件jian消xiao耗hao過guo多duo功gong率lv，也ye不bu會hui立li即ji達da到dao臨lin界jie T_J。對於間歇操作，功率耗散的限製可能會延長。延長的時間取決於操作周期的持續時間（也稱為脈衝持續時間）和操作發生的頻率（也稱為占空因數）。

如圖 3 所示，器件一旦上電，芯片會立即開始升溫。 

圖 3: 芯片升溫/冷卻：單脈衝

如果功率持續耗散，則熱量產生與消散之間會達到平衡，從而穩定 T_J。其中部分熱能由器件的熱容存儲。穩定的條件則由與晶體管及其熱環境相關的熱阻決定。

當功率停止耗散，器件就會逐漸冷卻，升溫和冷卻的規律是相同的（見圖 3）。但是
，如果功率耗散在晶體管溫度穩定之前停止，則 T_J 的峰值將低於相同水平的持續功率耗散所達到的值（見圖 3）。

如(ru)果(guo)第(di)二(er)個(ge)脈(mai)衝(chong)與(yu)第(di)一(yi)個(ge)脈(mai)衝(chong)相(xiang)同(tong)，則(ze)器(qi)件(jian)在(zai)第(di)二(er)個(ge)脈(mai)衝(chong)結(jie)束(shu)時(shi)
，其(qi)峰(feng)值(zhi)溫(wen)度(du)會(hui)高(gao)於(yu)第(di)一(yi)個(ge)脈(mai)衝(chong)結(jie)束(shu)時(shi)的(de)峰(feng)值(zhi)溫(wen)度(du)。脈(mai)衝(chong)不(bu)斷(duan)重(zhong)複(fu)，直(zhi)到(dao)溫(wen)度(du)達(da)到(dao)一(yi)個(ge)新(xin)的(de)穩(wen)定(ding)值(zhi)（見圖 4）。在這些穩定條件下，器件溫度會在平均值上下波動。 

圖 4: 芯片升溫/冷卻：重複脈衝

如果一係列脈衝後的結溫過高（例如 T_J > 125°C），則ze器qi件jian的de電dian氣qi性xing能neng和he預yu期qi壽shou命ming可ke能neng會hui下xia降jiang。這zhe種zhong情qing況kuang可ke能neng發fa生sheng在zai具ju有you低di占zhan空kong比bi的de高gao功gong率lv脈mai衝chong中zhong
，即ji使shi其qi平ping均jun功gong率lv低di於yu器qi件jian的de直zhi流liu額e定ding值zhi也ye是shi如ru此ci。

圖 5 顯示了一個較短的單功率脈衝。 

圖 5: 較短的單功率脈衝

隨著脈衝持續時間增加，T_J 在脈衝結束時接近一個穩定值（見圖 6）。 

圖 6: 較長的單功率脈衝

熱阻抗（Z_TH(JA)）反映了限時功率脈衝帶來的溫升。該參數提供了一種簡單的方法來估算器件在瞬態功率耗散條件下的結溫。

瞬態熱阻抗趨於等於連續功率耗散的熱阻，可通過公式 (6) 進行估算：

圖 7: 瞬態阻抗 Z_TH(JA) 與時間的關係

隨著重複率變小，結逐漸在脈衝之間完全冷卻，因此每個脈衝都可以單獨處理。

對於功率封裝，瞬態熱效應會在大約 0.1 至 100 秒內消失。這個時長取決於芯片大小、封裝類型和尺寸。此外
，PCB 疊層和布局對其影響也很大。

PCB 相當於一個散熱器
，為 IC 封feng裝zhuang提ti供gong了le將jiang熱re量liang有you效xiao地di傳chuan遞di到dao電dian路lu板ban及ji其qi相xiang鄰lin環huan境jing中zhong的de路lu徑jing。因yin此ci
，最zui大da化hua封feng裝zhuang電dian源yuan和he接jie地di引yin腳jiao所suo在zai的de金jin屬shu跡ji線xian麵mian積ji
，可ke有you效xiao提ti高gao熱re傳chuan遞di。

T_A 和 P_D 對封裝的熱性能影響不大。在這個時間內
，持續時間過長的功率脈衝產生的效應與連續負載類似。

結語

結溫會影響很多工作參數以及器件的工作壽命。設計高功率電路最大的挑戰就是確定一個器件是否能夠支持相關應用的需求。

有效瞬態熱阻受多種因素影響

，包括覆銅麵積與布局、相鄰器件的熱度、PCB 上相鄰器件的熱質量以及器件周圍的氣流。要準確估計溫升
，最好的方法是直接在應用電路中表征熱阻抗。

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