【導讀】瞬態熱阻抗用于衡量器件被施加脈沖功率時的表現，它決定了器件在低占空比和低頻脈沖負載下的表現方式，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），它是系統級參數，在很大程度上取決于系統屬性，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，而不是從封裝表面散發。 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）。由于從芯片流向封裝頂部的熱量未知，所以 Ψ_JT 并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 ，系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 解釋了什么是結至環境熱阻。 

圖 1: 結至環境熱阻

通過降低 PCB 散熱平面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 的電源平面面積對 θ_BA 的影響最為顯著。

熱特性

在電機驅動器等應用中，高功率脈沖寬度都限制在幾十或幾百毫秒以內，這意味著設計人員必須重視熱容的影響。如果熱容足夠大，它可以將結溫控制在器件的額定值范圍之內，即使存在高耗散峰值也是如此。因此，恰當的散熱管理可提高器件的性能與可靠性。

熱量的傳遞有三種方式：傳導、對流和輻射。

傳導

傳導是一種重要的傳熱方式，因為最終熱量是通過表面面積散發的。通過傳導，熱量才能散布到所需的表面。通過傳導進行的熱傳遞遵循傅立葉定律，該定律指出，通過材料的熱流率與材料的橫截面積以及材料兩端的溫差成正比；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系數 (K)。這些常見的材料具有明顯不同的導熱系數。

表 1: 不同材料的傳導率

對流

對流是將熱量從材料表面傳遞到空氣中的方法。溫升是功率耗散造成的結果，它與表面積和熱傳遞系數 (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。其熱流率與表面積成正比，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于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 在脈沖應用中作用不大，甚至還會導致冗余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，它類似于電容積累電荷的方式。對于給定結構的元素，C_TH 取決于比熱 (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

脈沖功率操作

當功率器件承受脈沖負載時，它可以支持更高的峰值功率耗散。功率封裝具有一定的熱容量，這意味著即使器件消耗過多功率，也不會立即達到臨界 T_J。對于間歇操作，功率耗散的限制可能會延長。延長的時間取決于操作周期的持續時間（也稱為脈沖持續時間）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：單脈沖

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 的峰值將低于相同水平的持續功率耗散所達到的值（見圖 3）。

如果第二個脈沖與第一個脈沖相同，則器件在第二個脈沖結束時，其峰值溫度會高于第一個脈沖結束時的峰值溫度。脈沖不斷重復，直到溫度達到一個新的穩定值（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：重復脈沖

如果一系列脈沖后的結溫過高（例如 T_J > 125°C），則器件的電氣性能和預期壽命可能會下降。這種情況可能發生在具有低占空比的高功率脈沖中，即使其平均功率低于器件的直流額定值也是如此。

圖 5 顯示了一個較短的單功率脈沖。 

圖 5: 較短的單功率脈沖

隨著脈沖持續時間增加，T_J 在脈沖結束時接近一個穩定值（見圖 6）。 

圖 6: 較長的單功率脈沖

熱阻抗（Z_TH(JA)）反映了限時功率脈沖帶來的溫升。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。

瞬態熱阻抗趨于等于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) 與時間的關系

隨著重復率變小，結逐漸在脈沖之間完全冷卻，因此每個脈沖都可以單獨處理。

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

PCB 相當于一個散熱器，為 IC 封裝提供了將熱量有效地傳遞到電路板及其相鄰環境中的路徑。因此，最大化封裝電源和接地引腳所在的金屬跡線面積，可有效提高熱傳遞。

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沖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，包括覆銅面積與布局、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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