半导体和IC的温度衡量标准.docx
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半导体和IC的温度衡量标准
半导体器件和IC封装温度的衡量
源于TI的AN:
SPRA953B
1.θja:
Junctiontoambientθjma:
JunctiontoMovingAir
Junction到ambient的热阻是θja,这个参数的测量需要在满足JEDEC的EIA/JFSD51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/JFSD51-1)
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。
1.1θja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。
1.7PowerDissipation
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-topofpackage
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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- 半导体 IC 温度 衡量 标准