MOSFET的熱阻相關(guān)參數(shù)

主要是關(guān)于MOSFET的基礎(chǔ)知識(shí)，但是發(fā)現(xiàn)看datasheet的時(shí)候還是一臉懵，有些參數(shù)好像是未曾相識(shí)，所以就有了現(xiàn)在的這個(gè)補(bǔ)充內(nèi)容，話不多說(shuō)正式開(kāi)始。

Part1：熱阻參數(shù)篇

圖：MOSFET datasheet中熱阻參數(shù)

經(jīng)常查看半導(dǎo)體的規(guī)格書(shū)的時(shí)候，幾乎都有關(guān)于熱阻的參數(shù)，主要有以下幾種，可能很多人都搞不清熱阻的概念，也分不清這幾個(gè)參數(shù)的區(qū)別，在實(shí)際運(yùn)用中也不知道用哪一個(gè)參數(shù)來(lái)計(jì)算。

圖：常見(jiàn)的熱阻參數(shù)

熱阻的概念

在通常條件下，熱量的傳遞通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射三種方式進(jìn)行。

傳導(dǎo)是通過(guò)物體的接觸，將熱流從高溫向低溫傳遞，導(dǎo)熱率越好的物體則導(dǎo)熱性能越好，一般來(lái)說(shuō)金屬導(dǎo)熱性能最好； 對(duì)流是通過(guò)物體的流動(dòng)將熱流帶走，液體和氣體的流速越快，則帶走的熱量越多； 輻射不需要具體的中間媒介，直接將熱量發(fā)送出去，真空中效果更好。

半導(dǎo)體器件熱量主要是通過(guò)三個(gè)路徑散發(fā)出去：封裝頂部到空氣，封裝底部到電路板和封裝引腳到電路板。

電子器件散熱中最常用的，也是最重要的一個(gè)參數(shù)就是熱阻（Thermal Resistance）。熱阻是描述物質(zhì)熱傳導(dǎo)特性的一個(gè)重要指標(biāo)。 以集成電路為例，熱阻是衡量封裝將管芯產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至電路板或周圍環(huán)境的能力的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和能力。 定義如下：

熱阻值一般常用Θ 表示，其中 Tj 為芯片 Die 表面的溫度（也叫做結(jié)溫），Tx 為熱傳導(dǎo)到某目標(biāo)點(diǎn)位置的溫度，P 為輸入的發(fā)熱功率。電子設(shè)計(jì)中，如果電流流過(guò)電阻就會(huì)產(chǎn)生壓差。同理，如果熱量流經(jīng)熱阻就會(huì)產(chǎn)生溫差。熱阻大表示熱不容易傳導(dǎo)，因此器件所產(chǎn)生的溫度就比較高，由熱阻可以判斷及預(yù)測(cè)器件的發(fā)熱狀況。通常情況下，芯片的結(jié)溫升高，芯片的壽命會(huì)減少，故障率也增高。在溫度超過(guò)芯片給定的額定最高結(jié)溫時(shí)，芯片就可能會(huì)損壞。熱阻越小，則表示散熱性能越好。

ΘJA

ΘJA是芯片 Die 表面到周圍環(huán)境的熱阻，單位是°C/W。周圍環(huán)境通常被看作熱“地”點(diǎn)。ΘJA取決于IC 封裝、電路板、空氣流通、輻射和系統(tǒng)特性，通常輻射的影響可以忽略。ΘJA專指自然條件下(沒(méi)有加通風(fēng)措施)的數(shù)值。由于測(cè)量是在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的條件下測(cè)試，因此對(duì)于不同的基板設(shè)計(jì)以及環(huán)境條件就會(huì)有不同的結(jié)果，因此此值可以用于比較封裝散熱的容易與否，用于定性的比較。

ΘJC

ΘJC是芯片 Die 表面到封裝外殼的熱阻，外殼可以看作是封裝外表面的一個(gè)特定點(diǎn)。ΘJC取決于封裝材料(引線框架、模塑材料、管芯粘接材料)和特定的封裝設(shè)計(jì)(管芯厚度、裸焊盤(pán)、內(nèi)部散熱過(guò)孔、所用金屬材料的熱傳導(dǎo)率)。對(duì)帶有引腳的封裝來(lái)說(shuō)，ΘJC在外殼上的參考點(diǎn)位于塑料外殼延伸出來(lái)的 1 管腳，在標(biāo)準(zhǔn)的塑料封裝中，ΘJC的測(cè)量位置在 1 管腳處。該值主要是用于評(píng)估散熱片的性能。

注意ΘJC表示的僅僅是散熱通路到封裝表面的電阻，因此ΘJC總是小于ΘJA。ΘJC表示是特定的、通過(guò)傳導(dǎo)方式進(jìn)行熱傳遞的散熱通路的熱阻，而ΘJA則表示的是通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射等方式進(jìn)行熱傳遞的散熱通路的熱阻。

ΘCA

ΘCA 是指從芯片管殼到周圍環(huán)境的熱阻。ΘCA 包括從封裝外表面到周圍環(huán)境的所有散熱通路的熱阻。

根據(jù)上面給出的定義，我們可以知道：ΘJA =ΘJC + ΘCA。

ΘJB

ΘJB是指從芯片表面到電路板的熱阻，它對(duì)芯片 Die 表面到電路板的熱通路進(jìn)行了量化，可用于評(píng)估 PCB 的傳熱效能。ΘJB包括來(lái)自兩個(gè)方面的熱阻：從芯片 Die 表面到封裝底部參考點(diǎn)的熱阻，以及貫穿封裝底部的電路板的熱阻。該值可用于評(píng)估 PCB 的熱傳效能。

從這里，我們可以看出，熱量的傳遞主要有三條路徑，

第一：芯片 Die 表面的熱量通過(guò)封裝材料（Mold Compound）傳導(dǎo)到器件表面然后通過(guò)對(duì)流散熱/輻射散到周圍。

第二：是從芯片 Die 表面到焊盤(pán)，然后由連接到焊盤(pán)的印刷電路板進(jìn)行對(duì)流/輻射散。

第三：芯片表面熱量通過(guò) Lead Frame傳遞到 PCB 上散熱。

熱阻的應(yīng)用

MOSFET的功率損耗主要受限于MOSFET的結(jié)溫，基本原則就是任何情況下，結(jié)溫不能超過(guò)規(guī)格書(shū)里定義的最高溫度。而結(jié)溫是由環(huán)境溫度和MOSFET自身的功耗決定的，所以在實(shí)際測(cè)試和計(jì)算需要獲取以下參數(shù)

①求的IC工作時(shí)的功率

②在實(shí)際工作環(huán)境下，用熱電偶/熱成像獲得環(huán)境溫度和殼溫

③帶入公式，求得實(shí)際結(jié)溫。

溫度之間的換算關(guān)系：Tc=Tj-P*Rjc 或者Ta = Tj -P* Rja。

case1、當(dāng)我們知道了MOSFET的殼溫Tc（Ta的計(jì)算方式相同），根據(jù)公式就可以估算結(jié)溫

假設(shè)測(cè)的器件殼溫下Tc=45℃，最大功耗通過(guò)計(jì)算為P=1.2W(P=VDS*ID) ，Rjc =83.3。則可以得到Tj=45+1.2*83.3=144.96。把這個(gè)值和規(guī)格書(shū)的結(jié)溫進(jìn)行比較，通常需要降額進(jìn)行使用。

case2、反過(guò)來(lái)假設(shè)已經(jīng)知道結(jié)溫不能超過(guò)150℃后，殼溫Tc=45℃,則可以計(jì)算最大功耗的值 : P=(Tj-Tc)/Rjc =(150-45)/83.3 = 1.26W