【導讀】瞬態(tài)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 θJA 和 ΨJT。這些參數使穩(wěn)態(tài)下的結溫估算變得非常簡單。本文將討論熱瞬態(tài)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 θJA、ΨJT 和 ΨJB 表征。θJA 是結至環(huán)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(fā)，而不是從封裝表面散發(fā)。 θJA 可通過公式（1）來計算：
其中，TJ 為結溫（°C），TA 為環(huán)境溫度（°C），PD 為器件的散熱量（W）。
ΨJT 是表征 TJ 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 ΨJT 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 ΨJT 仍是一個有用的參數，因為其特性與 IC 封裝的應用環(huán)境極為相似。例如，較薄的封裝具有較小的 ΨJT 值。
但要注意，ΨJT 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 ΨJT：
而有了 ΨJB ，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。ΨJB 指標應接近 θJB，因為 PCB 已耗散了大部分的器件熱量。TJ 的計算公式（3）如下：
其中，TPCB 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(huán)境熱阻。
圖 1: 結至環(huán)境熱阻
通過降低 PCB 散熱平面的電阻可以實現較低的 θJA 。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 θBA 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(fā)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?zhèn)鬟f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(huán)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，θJA 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 (CTH) 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，CTH 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(huán)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(tài)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 TJ。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(xù)時間（也稱為脈沖持續(xù)時間）和操作發(fā)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(xù)耗散，則熱量產生與消散之間會達到平衡，從而穩(wěn)定 TJ。其中部分熱能由器件的熱容存儲。穩(wěn)定的條件則由與晶體管及其熱環(huán)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(guī)律是相同的（見圖 3）。但是，如果功率耗散在晶體管溫度穩(wěn)定之前停止，則 TJ 的峰值將低于相同水平的持續(xù)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(wěn)定值（見圖 4）。在這些穩(wěn)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 TJ > 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(fā)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(xù)時間增加，TJ 在脈沖結束時接近一個穩(wěn)定值（見圖 6）。
圖 6: 較長的單功率脈沖
熱阻抗（ZTH(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(tài)功率耗散條件下的結溫。
瞬態(tài)熱阻抗趨于等于連續(xù)功率耗散的熱阻，可通過公式 (6) 進行估算：
圖 7: 瞬態(tài)阻抗 ZTH(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(tài)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(huán)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。
TA 和 PD 對封裝的熱性能影響不大。在這個時間內，持續(xù)時間過長的功率脈沖產生的效應與連續(xù)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(zhàn)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(tài)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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