深谈芯片有关的温度

即使在IC界摸滚打怕多年，关于芯片有关的温度，很多人估计也会遇到下面的问题：

(1) 高低温测试，芯片表面温度超过了芯片规格书上要求的工作温度，是否还可以继续使用；

(2) 咨询厂家 的FAE，芯片的表面温度、空气温度、结温代表什么意思，FAE也答不清？

(3) 经常和测试部PK，研发认为这个温度是没有问题的，测试部认为是有问题的，但是双方都拿不出依据。

(4) 规格书经常给出的是常温下的最大功率，怎样折算成高温下的最大功率？

通过本文，你可以学习到：

(1) 已知芯片的实际允许工况条件（环境温度和功率），可推算出芯片是否超过结温要求。

(2) 给出当前最高温度要求下，可以达到的最大功率是多少？或者实际功率是否超标。

(3) 功率器件有或者没有散热片条件下，规定温度下的最大功率是多少。

一、与芯片温度有关的术语

与芯片有关的温度之所以复杂，就是因为专业术语太多了，我们先盘点一下这些名词。

芯片四个地方的温度：内核、封装表面、空气周边、PCB板：

(1) TJ（Die Junction Temp）：芯片的硅核温度，就是芯片内部核心的 温度，从英文缩写就可以看出，这是个死亡温度，设计者是绝对不能跨越的。

(2) Ta （Ambient Air Temp）：芯片周围的空气温度。不大散热片的小功率器件一般以这个为计算参数。

图1： Tj和Ta示意图

(3) Tc（Package Case Temp）：芯片封装表面温度。带散热片的大功率器件一般以这个为技术参数。

(4)    Tb（Ambient board Temp）：安装芯片的PCB表面温度。

图2： Tc和Tb示意图

最重要的概念：热阻

当热量在物体内部以热传导的方式传递时，遇到的阻力称为导热热阻，热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了 1W热量所引起的温升大小，单位为℃/W。

三个重要的热阻：

(1)    热阻Rja：芯片的热源结（junction）到周围冷却空气（ambient）的总热阻，

(2)    热阻Rjc：芯片的热源结到封装外壳间的热阻，这个是最常用和有用的热阻。

(3)    热阻Rjb：芯片的

结与PCB板间的热阻.

由下图的热阻#模型可以清晰看出，芯片内核的发热路径是：核心—封装表面——PCB——空气。

图3： 热阻的模型

二、热阻的计算公式

了解了上述这么多术语、理论，我们最重要的目的是：我们当前设计的功率条件下，当前实测的芯片封装温度是否满足最大结温的要求。读者一定要认真读这句话，包含3个含义：

(1)    当前的设计功率：因为我们的设计往往都不是在最大功率下，而是有降额，例如一个NMOS最大可以3A，实际我们最大是1A，按照当前1A计算功耗的温度才有意义。

(2)    芯片的封装温度Tc：因为测试芯片温度的方法有很多，内核温度Tj测试基本是不可能的，最容易最简单就是直接测试芯片封装表面或者空气的温度，计算热阻的路径也最简单。

(3)    满足最大结温要求：我们所有的计算目的，就是将当前的功率、当前的表面温度，折算成芯片内部的核心温度Tj，一般厂家都会给出Tj，即使不给 Tj，我们可以根据硅管最大结温150℃估算。

热阻的重要基本计算公式：

Tc（max） =Tj - P*Rjc；其中：  ---------①

Tc（max）： 芯片封装表面允许的最大温度；

Tj：结温温度，芯片内核允许的最大温；

P：芯片的实际功耗；

Rjc：芯片的内核-封装表面的热阻。

公式①中提供的是基本的计算公式, 前提条件是散热片足够大并且接触良好才成立的,

Tcmax =Tj - P*(Rjc+Rcs+Rsa).---------②

Tc（max）： 芯片封装表面允许的最大温度；

Tj：结温温度，芯片内核允许的最大温；

P：芯片的实际功耗；

Rjc：芯片的内核----封装表面的热阻。

Rcs：表示外壳----散热片的热阻

Rsa：表示散热片的热阻

三、热阻的计算举例

为了让读者更加容易理解，我们举一个实例，以三级管2N5551 为例。

图4： 2N5551 热阻参数

规格书中有几个关键的参数：

25度（Tc）时的功率是1.5W(P)，功率降额是12mW/℃，Rjc是83.3℃/W，RJA是200℃/W，结温是150℃，这些参数后面计算都会用到。

假设：三极管的实际使用功率是1.2W，实际测试到的壳温是60℃，请问温度是否超标？

根据公式Tc（max） =Tj - P*Rjc，Tj=60+1.2*83.3=159.96，芯片内核温度超过了芯片的结温，设计是不合理的。我们也可以从厂家的另一个参数，功率降额是12mW/℃，60℃时的降额是：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过1.08w,上述的1.2W是超标的。

四、热阻的计算分类

上述科普了热阻的基本计算方法，实际应用中，业内比较认可的计算方法有两种：把半导体区分为大功率和小功率。

大功率半导体热阻计算：

功率器件的额定功率一般是指带散热器时的功率，散热器足够大时且散热良好时，可以认为其表面到环境之间的热阻为0，所以理想状态时壳温即等于环境温度.功率器件由于采用了特殊的工艺，所以其最高允许结温有的可以达到175度。但是为了保险起见，一律可以按150度来计算（规格书有数值是以厂家数据为准）.适用公式：Tc =Tj - P*Rjc.设计时，Tj最大值为150,Rjc已知，假设环境温度也确定，根据壳温即等于环境温度，那么此时允许的P也就随之确定。

小功率半导体热阻计算：

比如小晶体管，IC，一般使用时是不带散热器的。所以这时就要考虑器件壳体到空气之间的热阻了。一般厂家规格书中会给出Rja，即结到环境之间的热阻.(Rja=Rjc+Rca)。小功率半导体器件要用到的公式是： Tc =Tj - P*Rja。 Rja：结到环境之间的热阻.一般小功率半导体器件的厂家会在规格书中给出这个参数。2N5551的Rja厂家给的值是200度/W。已知其最高结温是150度，那么其壳温为25度时，允许的功耗可以把上述数据代入Tc =Tj - P*Rja 得到 25=150-P*200，得到P=0.625W。事实上，规格书中就是0.625W.因为2N5551不会加散热器使用，所以我们平常说的2N5551的功率是0.625W而不是1.5W！还有要注意，SOT-23封装的晶体管其额定功率和Rja数据是在焊接到规定的焊盘（有一定的散热功能）上时测得的。

五、热阻的应用总结

热阻的的计算的应用一般可以总结成以下几个场景：

(1) 已知结温Tj、热阻Rja、实际运行功率，求实际芯片表面温度是否超标

根据公式 Tc =Tj - P*Rja，可以计算出当前功率条件下允许的最高壳温，超过此温度时不符要求。

(2) 假设厂家没有给出结温Tj，只给出常温25℃最大功率，求热阻Rjc

结温Tj一般按照硅管结温150℃，可以利用公式Rjc=(Tj-Tc)/P，例如三极管2N5551，25℃最大功率为1.5W，则Rjc=（150-25）/1.5=83.3℃/W

(3) 环境降额系数和热阻的关系

降额系数其实就是对应热阻的倒数，例如2N5551在Tc=25℃时的额定功率为0.625W，Rjc=83.3℃/W，其壳温降额系数Kc=1/83.3=0.012W/℃

(4) 环境降额系数和设计降额关系；

上述的环境降额系数是温升计算的系数，实际设计降额，还要和各个公司的设计规范，降额0.5~0.8使用。

(5) 大功率器件不带散热器使用，最大允许功率怎么计算

大功率器件不带散热器使用，只能沿用小功率器件的计算公式：Tc =Tj - P*Rja。变形得：P=(Tj-Ta)/Rja。举例子：BU406的额定功率为60W(Tc=25℃)。Rja为70℃/W，最大结温Tj为150℃。25℃时最大允许的功率为：P=（150-25）/70=1.78W，可见大功率器件不装散热片，相同温度下，最大允许功率直接从60W降低到1.78W。

(6) 最大存储温度和结温的关系

最大允许储存温度时，功率P当然为0，所以公式变为Tcmax =Tjmax - 0*Rjc，即Tcmax =Tjmax，即存储温度等于结温温度，但是实际规格书中，厂家一般为例考虑长期存储的可靠性，对存储温度有很大的降额，例如结温可达110℃，要求存储温度才80℃。