了解数据表热参数和IC结温

在转换数据表的热阻参数时，关于如何做出有意义的设计决策存在很多混淆。这篇介绍性文章将帮助当今的硬件工程师了解如何解读数据表中的热参数——包括是否选择 theta 与 psi、如何计算这些值，以及最重要的是，如何以实用的方式将这些值应用于设计。本文还将介绍应用环境温度之间的关系，以及它们与 pcb 温度或 ic结温的比较。最后，它将讨论功率耗散如何随温度变化，以及如何利用这一特性来实现冷却运行、成本优化的解决方案。
电热类比
为了更容易地理解热量，可以在热量和电量之间进行某些类比。表 1 和表 2 比较了电量和热量，以及它们的材料常数。
表 1：电和热量之间的模拟关系（1）
注：
1）该表的内容来自technische temperaturmessung： volume i，frank bernhard，isbn 978-3-642-62344-8。
2） el 指电值，th 指热值。
表 2：不同材料的材料常数和变量
电和热类比方程
电量和热量可以在网络中计算，并且与基尔霍夫规则相当（见表 3）。
表 3：电和热过程方程之间的类比（3）
注：
3）本表内容来自technische temperaturmessung： volume i，frank bernhard，isbn 978-3-642-62344-8。
数据表中的热阻（θ ja和 θ jc）
图 1 介绍了mps的直流开关电源 ic mpq4572，作为了解热参数的示例。在此数据表中，有两个指定的热阻参数：θ ja和θ jc。本文将更详细地讨论这些参数。
图 1：数据表中的热阻（θ ja和 θ jc）规格
图 2 显示了具有 5v/2a 输出的典型 mpq4572 应用电路。
图 2：具有 5v/2a 输出的 mpq4572 典型应用电路
什么是结到环境热阻（θ ja ）？
θ ja定义为从结点到环境温度的热阻。它是衡量器件通过所有传热路径、铜迹线、通孔和空气对流条件的总和从结点散热到环境温度的能力的量度。
因此，给定的 θ ja仅对其定义的 pcb 有效。认为 θ ja是一个可以在所有 pcb 上使用的常数是一个常见的错误。θ ja允许比较通用 pcb 上的不同封装，例如 jedsd51-7。例如，如果 mpq4572 位于 4 层 jesd51-7 pcb （4）上，则其 θ ja可以用公式（1）计算：
注：
4）jesd51-7 为 4 层 pcb，是一款高效的带引脚表贴封装热导率测试板。它是 114.3mmx76.2mm。其测量方法可在https://www.jedec.org/ 上获得
如果 mpq4572 在 4 层上，则为 2oz。铜质 mps 测试 pcb（8.9cmx8.9cm），其 θ ja可以用公式（2）计算：
图 3 显示了evq4572-qb-00a，这是 mpq4572 的评估板。
图 3：evq4572-qb-00a 评估板
当 r t = 25°c时，evq4572-qb-00a 的功耗为 1.1w 。对于 jesd51-7 板，结温（t j ）可以通过等式（3）估算：
什么是结到外壳热阻（θ jc ）？
θ jc定义为封装底部结到外壳温度的热阻。该温度是在靠近引脚处测量的。使用 θ jc和等式（4）计算结温：
其中 heatflow jc是从结流到外壳的热量。热流jc可以用公式（5）估算：
其中 heatflow jt是从结流到顶面的热量。图 4 显示了为什么 θ jc不能用作定制 pcb 上的测量值。
图 4：结到外壳热阻（θ jc ）
θ jc不能用于定制 pcb 上的测量有两个原因：
定制 pcb 可以是任何尺寸，这可能与 jesd51-7 pcb 的固定尺寸 114.3mmx76.2mm 不同。θ jc的目的是比较不同封装的传热能力，因此应该使用 jedsd51-7 pcb 进行比较，因为已经研究和测量了其参数。
从定制 pcb 封装流出的实际热量是未知的，而 jedsd51-7 pcb 已经测量了该参数。考虑耗散为 1.1w 的示例。在该示例中，热流分为两条路径：θ jc（定制 pcb 未知）和通过对流从封装表面辐射到环境的热流。
结到外壳顶部（ψ jt ）和结到板（ψ jb ）的热特性参数是什么？
希腊字母 ψ 的名称是 psi。ψ jt和 ψ jb在 jesd51-2a 中进行了描述。当设计人员知道总电气设备功率时，可以使用 psi。器件功率通常很容易测量，通过使用 psi 计算，用户可以直接计算出电路板的结温。
ψ jt和 ψ jb是在特定环境下的测量表征的虚拟参数。结温可以用公式（6）计算：
其中 t surface （°c）是封装顶部的温度，p device是 ic 中的电功率。
等式（6）使用器件的总功耗。这意味着没有必要知道封装顶部和引脚之间的功率分布。这是使用热特性参数代替 θ jc 的优势。
ψ jt 的典型值介于 0.8°c/w 和 2.0°c/w 之间。较小的封装往往具有较低的 ψ jt，而具有较厚模塑料的较大封装具有较大的 ψ jt。分别用方程（7）和方程（8）估计 theta （θ）和 psi （ψ）之间的差异：
使用热网络计算
图 5 显示了可以转换为等效线性电气网络的热网络。θ ja是结点与环境空气之间等效热阻的典型名称。
图 5：ic 和 pcb 的热网络图
热阻（°c/w）、热流（w）和温差（kelvin）的使用描述了系统何时具有热稳定性。如果将热容量（ws/k）添加到该网络，则可以计算瞬态响应。
随着网络规模和详细程度的增加，这种计算变得越来越复杂。硬件开发人员通常缺乏有关尺寸、材料常数和热流的精确信息。布局和热程序可以通过有限元计算以图形方式表示热分布，是避免大型数学计算的不错选择。
布局建议
为了保持器件冷却，建议使 ic 和铜平面之间的金属热传递路径尽可能短。使用温差较大的两点来辅助冷热温度之间的金属传热路径。在该系统中，与较冷的 via2 相比，via1 的顶层和底层之间的铜温差更高（见图 6）。这意味着 via1 可以在两层之间传输更大的热流，从而实现更有效的冷却。靠近封装放置的通孔最有效。
图 6：直流开关电源 ic 的热图像
必须在 ic 附近放置连续的铜热路径。避免切割带有不必要的导体轨迹的平面。外层最能将热量散发到环境中。避免为靠近 ic 放置的部件提供散热片，因为散热片会影响热传输。
通孔改善层间的热流。gnd 和稳定电位是热过孔的合适位置。填充和封盖的通孔提高了导热性，并且可以直接放置在表面贴装技术（smt）焊盘下方。大规模的热布局通常有利于电磁兼容性（emc）。避免使用具有高 di/dt 或 du/dt 的过孔（例如开关节点），因为这会降低 emc 性能。
fr4是一种广泛使用的pcb环氧树脂材料，由于其环氧树脂和玻璃纤维不能很好地导热，因此导热率低。在 pcb 层之间放置铜通孔以改善层之间的热连接。某些 pcb 材料的导热性是 fr4 的 4 到 8 倍。
结论
mps的mpq4572用于展示热参数如何与电量和网络类似，并且两者可以相互转换。工程师经常使用的电量有助于快速了解 pcb、环境和半导体之间相互作用的热参数。
热阻参数（θ ja和θ jc）通常在器件数据表中列出，使设计人员可以比较不同封装的热特性。表征热阻（ψ jt和 ψ jb）允许设计人员计算定制应用的结温。在 ic 表面的顶部进行温度测量，可以轻松获得准确的结温。