了解瞬态热阻抗背后的理论
【导读】瞬态热阻抗用于衡量器件被施加脉冲功率时的表现，它决定了器件在低占空比和低频脉冲负载下的表现方式，因此非常重要。
IC 封装有许多热指标，例如 θJA 和 ΨJT。这些参数使稳态下的结温估算变得非常简单。本文将讨论热瞬态行为以及热阻抗的相关基本理论。
热参数概述
倒装芯片封装的热特性由参数 θJA、ΨJT 和 ΨJB 表征。θJA 是结至环境热阻（以 °C/W 为单位），它是系统级参数，在很大程度上取决于系统属性，如安装该器件的 PCB 设计及布局。其中，电路板被当作焊接到器件引线上的散热器。对自然对流传热而言，90% 以上的热量都由电路板散发，而不是从封装表面散发。 θJA 可通过公式（1）来计算：
其中，TJ 为结温（°C），TA 为环境温度（°C），PD 为器件的散热量（W）。
ΨJT 是表征 TJ 与封装顶部温度之间温度变化的特性参数（以 °C/W 为单位）。由于从芯片流向封装顶部的热量未知，所以 ΨJT 并不是真正的结至顶部热阻，但电路设计人员常假定它是器件的总功率。尽管该假设是无效，但 ΨJT 仍是一个有用的参数，因为其特性与 IC 封装的应用环境极为相似。例如，较薄的封装具有较小的 ΨJT 值。
但要注意，ΨJT 会根据电路板结构和气流条件的不同而略有不同。利用公式（2）可估算 ΨJT：
而有了 ΨJB ，系统设计人员就可以根据测得的电路板温度来计算器件的结温。ΨJB 指标应接近 θJB，因为 PCB 已耗散了大部分的器件热量。TJ 的计算公式（3）如下：
其中，TPCB 是接近封装裸焊盘处的电路板温度（°C）。 图 1 解释了什么是结至环境热阻。
图 1: 结至环境热阻
通过降低 PCB 散热平面的电阻可以实现较低的 θJA 。以传导为主要传热方法（这意味着对流冷却法受限）的应用中，PCB 的电源平面面积对 θBA 的影响最为显著。
热特性
在电机驱动器等应用中，高功率脉冲宽度都限制在几十或几百毫秒以内，这意味着设计人员必须重视热容的影响。如果热容足够大，它可以将结温控制在器件的额定值范围之内，即使存在高耗散峰值也是如此。因此，恰当的散热管理可提高器件的性能与可靠性。
热量的传递有三种方式：传导、对流和辐射。
传导
传导是一种重要的传热方式，因为最终热量是通过表面面积散发的。通过传导，热量才能散布到所需的表面。通过传导进行的热传递遵循傅立叶定律，该定律指出，通过材料的热流率与材料的横截面积以及材料两端的温差成正比；相反，热流与材料的厚度成反比。有些材料（例如铜）相比其他材料（例如 FR4）导热更快。表 1 显示了不同材料的导热系数 (K)。这些常见的材料具有明显不同的导热系数。
表 1: 不同材料的传导率
对流
对流是将热量从材料表面传递到空气中的方法。温升是功率耗散造成的结果，它与表面积和热传递系数 (h) 成反比。h 则是风速以及电路板与环境空气之间温差的函数。
辐射
热辐射包括通过电磁波传递热量。其热流率与表面积成正比，与辐射元件（例如电路板、组件）温度的四次方成正比。
通过传导进行热传递最适于高功率应用中的半导体。作为 IC 封装的热性能的标准描述，θJA 在脉冲应用中作用不大，甚至还会导致冗余或高成本的散热设计。
但通过结合热阻和热容，可以对器件的完整热阻抗进行建模。
热容 (CTH) 是衡量组件积热能力的指标，它类似于电容积累电荷的方式。对于给定结构的元素，CTH 取决于比热 (c)、体积 (V) 和密度 (d)。其计算公式 (4) 如下（以 J/°C 为单位）：
一个特定应用的热行为（包括有源器件、封装、PCB 和外部环境）在电气域可类比为一串 RC 单元，每个单元都有一个特征时间常数 (τ)。 该常数可用公式（5）计算：
图 2 通过一个简化的电气模型展示了每个单元如何影响封装器件的瞬态热阻抗。
图 2: 简化的等效热电路
脉冲功率操作
当功率器件承受脉冲负载时，它可以支持更高的峰值功率耗散。功率封装具有一定的热容量，这意味着即使器件消耗过多功率，也不会立即达到临界 TJ。对于间歇操作，功率耗散的限制可能会延长。延长的时间取决于操作周期的持续时间（也称为脉冲持续时间）和操作发生的频率（也称为占空因数）。
如图 3 所示，器件一旦上电，芯片会立即开始升温。
图 3: 芯片升温/冷却：单脉冲
如果功率持续耗散，则热量产生与消散之间会达到平衡，从而稳定 TJ。其中部分热能由器件的热容存储。稳定的条件则由与晶体管及其热环境相关的热阻决定。
当功率停止耗散，器件就会逐渐冷却，升温和冷却的规律是相同的（见图 3）。但是，如果功率耗散在晶体管温度稳定之前停止，则 TJ 的峰值将低于相同水平的持续功率耗散所达到的值（见图 3）。
如果第二个脉冲与第一个脉冲相同，则器件在第二个脉冲结束时，其峰值温度会高于第一个脉冲结束时的峰值温度。脉冲不断重复，直到温度达到一个新的稳定值（见图 4）。在这些稳定条件下，器件温度会在平均值上下波动。
图 4: 芯片升温/冷却：重复脉冲
如果一系列脉冲后的结温过高（例如 TJ > 125°C），则器件的电气性能和预期寿命可能会下降。这种情况可能发生在具有低占空比的高功率脉冲中，即使其平均功率低于器件的直流额定值也是如此。
图 5 显示了一个较短的单功率脉冲。
图 5: 较短的单功率脉冲
随着脉冲持续时间增加，TJ 在脉冲结束时接近一个稳定值（见图 6）。
图 6: 较长的单功率脉冲
热阻抗（ZTH(JA)）反映了限时功率脉冲带来的温升。该参数提供了一种简单的方法来估算器件在瞬态功率耗散条件下的结温。
瞬态热阻抗趋于等于连续功率耗散的热阻，可通过公式 (6) 进行估算：
图 7: 瞬态阻抗 ZTH(JA) 与时间的关系
随着重复率变小，结逐渐在脉冲之间完全冷却，因此每个脉冲都可以单独处理。
对于功率封装，瞬态热效应会在大约 0.1 至 100 秒内消失。这个时长取决于芯片大小、封装类型和尺寸。此外，PCB 叠层和布局对其影响也很大。
PCB 相当于一个散热器，为 IC 封装提供了将热量有效地传递到电路板及其相邻环境中的路径。因此，最大化封装电源和接地引脚所在的金属迹线面积，可有效提高热传递。
TA 和 PD 对封装的热性能影响不大。在这个时间内，持续时间过长的功率脉冲产生的效应与连续负载类似。
结语
结温会影响很多工作参数以及器件的工作寿命。设计高功率电路最大的挑战就是确定一个器件是否能够支持相关应用的需求。
有效瞬态热阻受多种因素影响，包括覆铜面积与布局、相邻器件的热度、PCB 上相邻器件的热质量以及器件周围的气流。要准确估计温升，最好的方法是直接在应用电路中表征热阻抗。
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