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      深談芯片有關的溫度

      分類:
      行業新聞
      來源:
      2020/08/15 13:10
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      【摘要】:
      即使在IC界摸滾打怕多年,關于芯片有關的溫度,很多人估計也會遇到下面的問題:  (1)高低溫測試,芯片表面溫度超過了芯片規格書上要求的工作溫度,是否還可以繼續使用;  (2)咨詢廠家的FAE,芯片的表面溫度、空氣溫度、結溫代表什么意思,FAE也答不清?  (3)經常和測試部PK,研發認為這個溫度是沒有問題的,測試部認為是有問題的,但是雙方都拿不出依據?! ?4)規格書經常給出的是常溫下的最大功率,
        即使在IC界摸滾打怕多年,關于芯片有關的溫度,很多人估計也會遇到下面的問題:
        (1) 高低溫測試,芯片表面溫度超過了芯片規格書上要求的工作溫度,是否還可以繼續使用;
        (2) 咨詢廠家 的FAE,芯片的表面溫度、空氣溫度、結溫代表什么意思,FAE也答不清?
        (3) 經常和測試部PK,研發認為這個溫度是沒有問題的,測試部認為是有問題的,但是雙方都拿不出依據。
        (4) 規格書經常給出的是常溫下的最大功率,怎樣折算成高溫下的最大功率?
        通過本文,你可以學習到:
        (1) 已知芯片的實際允許工況條件(環境溫度和功率),可推算出芯片是否超過結溫要求。
        (2) 給出當前最高溫度要求下,可以達到的最大功率是多少?或者實際功率是否超標。
        (3) 功率器件有或者沒有散熱片條件下,規定溫度下的最大功率是多少。
       
      一、與芯片溫度有關的術語
        與芯片有關的溫度之所以復雜,就是因為專業術語太多了,我們先盤點一下這些名詞。
        芯片四個地方的溫度:內核、封裝表面、空氣周邊、PCB板:
        (1) TJ(Die Junction Temp):芯片的硅核溫度,就是芯片內部核心的 溫度,從英文縮寫就可以看出,這是個死亡溫度,設計者是絕對不能跨越的。
        (2) Ta (Ambient Air Temp):芯片周圍的空氣溫度。不大散熱片的小功率器件一般以這個為計算參數。
       
      NPD
      圖1: Tj和Ta示意圖
       
        (3) Tc(Package Case Temp):芯片封裝表面溫度。帶散熱片的大功率器件一般以這個為技術參數。
        (4)Tb(Ambient board Temp):安裝芯片的PCB表面溫度。
       
      NPD
      圖2: Tc和Tb示意圖
       
        最重要的概念:熱阻
        當熱量在物體內部以熱傳導的方式傳遞時,遇到的阻力稱為導熱熱阻,熱量在熱流路徑上遇到的阻力,反映介質或介質間的傳熱能力的大小,表明了 1W熱量所引起的溫升大小,單位為℃/W。
       
      三個重要的熱阻:
        (1)熱阻Rja:芯片的熱源結(junction)到周圍冷卻空氣(ambient)的總熱阻,
        (2)熱阻Rjc:芯片的熱源結到封裝外殼間的熱阻,這個是最常用和有用的熱阻。
        (3)熱阻Rjb:芯片的
        結與PCB板間的熱阻.
        由下圖的熱阻#模型可以清晰看出,芯片內核的發熱路徑是:核心—封裝表面——PCB——空氣。
       
      NPD
      圖3: 熱阻的模型
       
      二、熱阻的計算公式
        了解了上述這么多術語、理論,我們最重要的目的是:我們當前設計的功率條件下,當前實測的芯片封裝溫度是否滿足最大結溫的要求。讀者一定要認真讀這句話,包含3個含義:
        (1)當前的設計功率:因為我們的設計往往都不是在最大功率下,而是有降額,例如一個NMOS最大可以3A,實際我們最大是1A,按照當前1A計算功耗的溫度才有意義。
        (2)芯片的封裝溫度Tc:因為測試芯片溫度的方法有很多,內核溫度Tj測試基本是不可能的,最容易最簡單就是直接測試芯片封裝表面或者空氣的溫度,計算熱阻的路徑也最簡單。
        (3)滿足最大結溫要求:我們所有的計算目的,就是將當前的功率、當前的表面溫度,折算成芯片內部的核心溫度Tj,一般廠家都會給出Tj,即使不給 Tj,我們可以根據硅管最大結溫150℃估算。
        熱阻的重要基本計算公式:
        Tc(max) =Tj - P*Rjc;其中: ---------①
        Tc(max): 芯片封裝表面允許的最大溫度;
        Tj:結溫溫度,芯片內核允許的最大溫;
        P:芯片的實際功耗;
        Rjc:芯片的內核-封裝表面的熱阻。
        公式①中提供的是基本的計算公式, 前提條件是散熱片足夠大并且接觸良好才成立的,
        Tcmax =Tj - P*(Rjc+Rcs+Rsa).---------②
        Tc(max): 芯片封裝表面允許的最大溫度;
        Tj:結溫溫度,芯片內核允許的最大溫;
        P:芯片的實際功耗;
        Rjc:芯片的內核----封裝表面的熱阻。
        Rcs:表示外殼----散熱片的熱阻
        Rsa:表示散熱片的熱阻
       
      三、熱阻的計算舉例
        為了讓讀者更加容易理解,我們舉一個實例,以三級管2N5551為例。
        
      NPD
      圖4: 2N5551 熱阻參數
       
        規格書中有幾個關鍵的參數:
        25度(Tc)時的功率是1.5W(P),功率降額是12mW/℃,Rjc是83.3℃/W,RJA是200℃/W,結溫是150℃,這些參數后面計算都會用到。
        假設:三極管的實際使用功率是1.2W,實際測試到的殼溫是60℃,請問溫度是否超標?
        根據公式Tc(max) =Tj - P*Rjc,Tj=60+1.2*83.3=159.96,芯片內核溫度超過了芯片的結溫,設計是不合理的。我們也可以從廠家的另一個參數,功率降額是12mW/℃,60℃時的降額是:60-25)×0.012=0.42W,1.5w-0.42W=1.08W,要求芯片的最大的功率不能超過1.08w,上述的1.2W是超標的。
       
      四、熱阻的計算分類
        上述科普了熱阻的基本計算方法,實際應用中,業內比較認可的計算方法有兩種:把半導體區分為大功率和小功率。
        大功率半導體熱阻計算:
        功率器件的額定功率一般是指帶散熱器時的功率,散熱器足夠大時且散熱良好時,可以認為其表面到環境之間的熱阻為0,所以理想狀態時殼溫即等于環境溫度.功率器件由于采用了特殊的工藝,所以其最高允許結溫有的可以達到175度。但是為了保險起見,一律可以按150度來計算(規格書有數值是以廠家數據為準).適用公式:Tc =Tj - P*Rjc.設計時,Tj最大值為150,Rjc已知,假設環境溫度也確定,根據殼溫即等于環境溫度,那么此時允許的P也就隨之確定。
        小功率半導體熱阻計算:
        比如小晶體管,IC,一般使用時是不帶散熱器的。所以這時就要考慮器件殼體到空氣之間的熱阻了。一般廠家規格書中會給出Rja,即結到環境之間的熱阻.(Rja=Rjc+Rca)。小功率半導體器件要用到的公式是: Tc =Tj - P*Rja。 Rja:結到環境之間的熱阻.一般小功率半導體器件的廠家會在規格書中給出這個參數。2N5551的Rja廠家給的值是200度/W。已知其最高結溫是150度,那么其殼溫為25度時,允許的功耗可以把上述數據代入Tc =Tj - P*Rja 得到 25=150-P*200,得到P=0.625W。事實上,規格書中就是0.625W.因為2N5551不會加散熱器使用,所以我們平常說的2N5551的功率是0.625W而不是1.5W!還有要注意,SOT-23封裝的晶體管其額定功率和Rja數據是在焊接到規定的焊盤(有一定的散熱功能)上時測得的。
       
      五、熱阻的應用總結
        熱阻的的計算的應用一般可以總結成以下幾個場景:
        (1) 已知結溫Tj、熱阻Rja、實際運行功率,求實際芯片表面溫度是否超標
        根據公式 Tc =Tj - P*Rja,可以計算出當前功率條件下允許的最高殼溫,超過此溫度時不符要求。
        (2) 假設廠家沒有給出結溫Tj,只給出常溫25℃最大功率,求熱阻Rjc
        結溫Tj一般按照硅管結溫150℃,可以利用公式Rjc=(Tj-Tc)/P,例如三極管2N5551,25℃最大功率為1.5W,則Rjc=(150-25)/1.5=83.3℃/W
        (3) 環境降額系數和熱阻的關系
        降額系數其實就是對應熱阻的倒數,例如2N5551在Tc=25℃時的額定功率為0.625W,Rjc=83.3℃/W,其殼溫降額系數Kc=1/83.3=0.012W/℃
        (4) 環境降額系數和設計降額關系;
        上述的環境降額系數是溫升計算的系數,實際設計降額,還要和各個公司的設計規范,降額0.5~0.8使用。
        (5) 大功率器件不帶散熱器使用,最大允許功率怎么計算
        大功率器件不帶散熱器使用,只能沿用小功率器件的計算公式:Tc =Tj - P*Rja。變形得:P=(Tj-Ta)/Rja。舉例子:BU406的額定功率為60W(Tc=25℃)。Rja為70℃/W,最大結溫Tj為150℃。25℃時最大允許的功率為:P=(150-25)/70=1.78W,可見大功率器件不裝散熱片,相同溫度下,最大允許功率直接從60W降低到1.78W。
        (6) 最大存儲溫度和結溫的關系
        最大允許儲存溫度時,功率P當然為0,所以公式變為Tcmax =Tjmax - 0*Rjc,即Tcmax =Tjmax,即存儲溫度等于結溫溫度,但是實際規格書中,廠家一般為例考慮長期存儲的可靠性,對存儲溫度有很大的降額,例如結溫可達110℃,要求存儲溫度才80℃。
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