結溫(junction temperature)
結溫是處於電子裝置中實際半導體晶元(晶圓、裸片)的最高溫度。它通常高於外殼溫度和器件表面溫度。結溫可以衡量從半導體晶圓到封裝器件外殼間的散熱所需時間以及熱阻。
最高結溫(maximum junction temperature),器件結溫越低越好
最高結溫會在器件的datasheet資料表中給出,可以用來計算在給定功耗下器件外殼至環境的熱阻。這可以用來選定合適的散熱裝置。
如果器件結溫超過最高工作溫度,器件中的電晶體就可能會被破壞,器件也隨即失效,所以應採取各種途徑降低結溫或是讓結溫產生的熱量盡快散發至環境中。
首先必須保證晶元的結溫在其可以承受的範圍之內。工業級產品一般規定範圍是-20~85℃,軍品或者汽車級能達到-40~125℃
對於搞晶元散熱的工作目標就是把結溫控制在範圍內嗎?還是控制在最佳的溫度範圍內?有所謂的最佳溫度範圍嗎?
追答:對的 特別隨著晶元的功耗越來越大,在工作的時候就會產生越來越多的熱量。如果要維持晶元的結溫在正常的範圍以內,就需要採取一定的方法使得晶元產生的熱量迅速發散到環境中去。
而晶元工作效能最好情況也只在部分溫度範圍,在惡劣環境情況下效能肯定會下降,這就對晶元設計提出很高的要求,要在全溫度全工藝角情況下滿足指標要求才行
結溫為:熱阻×輸入功率+環境溫度,因此如果提高接合溫度的最大額定值,即使環境溫度非常高,也能正常工作。
乙個晶元結溫的估計值tj,可以從下面的公式中計算出來:
tj=ta+( r θja × pd )
ta = 封裝的環境溫度 ( º c )
r θja = p-n結至環境的熱阻 ( º c / w ) (資料手冊一般會提供)
pd = 封裝的功耗即功率 (w) 晶元功耗 = pin-pout
關於pd,例如如果輸入電流為12v,採用78m05進行穩壓,穩壓到5v,最大輸出電流為0.3a ,則78m05消耗的(最大)功耗為p=(12v-5v)x 0.3a=2.1w
推薦以tj 的最高容許溫度的80%為基準來進行熱量設計。
降低結溫的途徑:
1、減少器件本身的熱阻;
2、良好的二次散熱機構;
3、減少器件與二次散熱機構安裝介面之間的熱阻;
4、控制額定輸入功率;
5、降低環境溫度;
在閱讀半導體器件的datasheet時,我們經常可以看到很多溫度值,結溫度,外殼溫度,環境溫度等等。本人在網上查閱了一些相關資料,在此做簡要說明。乙份典型的關於半導體溫度相關引數的說明如下圖所示。
背景
通常,晶元的結溫(junction temperature)(tj)每上公升10℃,器件的壽命就會大約減為一半,故障率也會大約增大2倍。si 半導體在tj 超過了175℃時就有可能損壞。由此,使用時就必須極力降低tj,以容許溫度(通常80~100℃)為目標進行熱量設計。但是,對於功率器件那樣的高輸出 元件,要把tj 抑制在容許溫度以下其實是比較困難的,所以通常以規格書裡揭載的最高容許溫度的80%為基準來設計tj。另外、即使器件的封裝相同,根據器件的晶元尺寸、 引線框架的定位尺寸、實裝電路板的規格等不同、熱阻值也會發生變化,需要特別注意。
定義
半導體封裝的熱阻是指器件在消耗了1[w]功率時,用晶元和封裝、周圍環境之間的溫度差按以下公式進行計算。
其中
專案解說
θja結溫(tj)和周圍溫度(ta)之間的熱阻
ψjt結溫(tj)和封裝外殼表面溫度(tc 1)之間的熱阻
θjc結溫(tj)和封裝外殼背面溫度(tc 2)之間的熱阻
θca封裝外殼溫度(tc)和周圍溫度(ta)之間的熱阻
tj結溫
ta周圍溫度
tc 1
封裝外殼表面(型號面)溫度
tc 2
封裝外殼背面溫度
pd最大容許功率
結溫(tj)的驗證方法(ψjt 已知)
用以下的方法可以估算結溫(tj)。
如之前講述的、推薦以tj 的最高容許溫度的80%為基準來進行熱量設計。
注)θja,ψjt 是實裝到以jedec 規格為基準的電路板上時的數值,但是根據引腳型別的尺寸、電路板的材質和尺寸、電路板上的佈線比率的不同,多少會有些變化,要特別注意。
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