接面溫度與熱阻計算器

輸入功耗、環境溫度及資料手冊中的熱阻,即可估算晶片內部的接面溫度 Tj。比較兩種情況:無散熱片(θJA)與有散熱片(θJC + θCS + θSA),並分別顯示與最大接面溫度的裕度及其容許的最大功率。

輸入條件

計算結果

接面溫度 Tj與 Tj(max) 的裕度最大功率
無散熱片(θJA)–––
有散熱片 (–)–––

依 Tj = Ta + P × θ 計算的穩態值;最大功率為 (Tj(max) − Ta) ÷ θ。未包含短功率脈衝造成的暫態升溫。θJA 會隨電路板與氣流大幅變化,請僅作為參考。

熱阻就像電路一樣

晶片中消耗的功率會轉為熱,從接面經由封裝及電路板或散熱片流向周圍空氣。熱阻 θ 是每瓦熱流所產生的溫差,單位為 ℃/W。將溫差視為電壓、熱流視為電流,就得到歐姆定律 ΔT = P × θ,而串聯的熱阻只需相加。因此接面溫度為 Tj = Ta + P × θJA。以預設值 P = 1 W、Ta = 25 ℃、θJA = 50 ℃/W 計算,Tj = 75 ℃,相對於 125 ℃ 的 Tj(max) 尚有 50 ℃ 的裕度。

θJA 為何取決於電路板,以及 ψJT

θJA 並非僅由封裝決定的特性。它會隨電路板尺寸、銅層數、銅箔面積及氣流大幅變化。資料手冊中的數值多半是在 JEDEC 標準測試板上、靜止空氣中量測,因此最適合用來比較不同封裝。在實際產品中,熱會經由電路板的銅箔擴散,θJA 可能高於或低於表中數值。在實際系統中,常以量測到的封裝頂面溫度 Tt 依 Tj = Tt + P × ψJT 估算 Tj。由於並非所有熱都從頂面散出,ψJT 被稱為熱特性參數,而非熱阻。

散熱片的熱路徑與介面材料

加裝散熱片時,熱主要從接面流到外殼、從外殼流到散熱片、再從散熱片流到環境,因此總熱阻為 θJC + θCS + θSA。θJC 屬於封裝內部,列於資料手冊中。θCS 是外殼與散熱片之間的接觸部分;粗糙表面間的微小空氣間隙會阻礙熱傳,因此以導熱膏或導熱墊等熱介面材料(TIM)填補。θSA 取決於散熱片尺寸、鰭片形狀與氣流。預設值合計為 4.5 ℃/W,在 1 W 時 Tj = 29.5 ℃,最大功率約為 22.2 W。

降額與設計裕度

對矽 IC 與功率元件而言,Tj(max) 最常見為 125 ℃ 或 150 ℃,容許功率為 Pmax = (Tj(max) − Ta) ÷ θ。由於裕度會隨環境溫度上升而縮小,資料手冊會提供降額曲線,使容許功率隨環境溫度線性降低。例如 θJA = 50 ℃/W、Tj(max) = 125 ℃ 時,25 ℃ 下的上限為 2.0 W,但在 85 ℃ 下僅有 0.8 W。較高的接面溫度也會提高故障率並縮短壽命,因此實際設計通常會保留額外裕度,而不會恰好在 Tj(max) 下運作。

練習資料手冊題目

將規格書所載的 θJA(接面至周圍的熱阻)用於實際設備的熱設計時,應注意的事項何者正確?

  1. A這是僅由封裝結構決定的數值,因此無論安裝在什麼樣的電路板上數值都不變
  2. B電路板的銅箔面積越大越容易積熱,θJA會變大
  3. C這是在測試用電路板上量測的數值,會因實際電路板的銅箔面積、層數及有無氣流而大幅改變
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正確答案:C. 這是在測試用電路板上量測的數值,會因實際電路板的銅箔面積、層數及有無氣流而大幅改變

θJA是將IC安裝在JEDEC等規範所定的測試用電路板上,在無風的容器中量測的數值。熱多半從封裝經由腳位或底面焊墊流向電路板,因此θJA強烈依存於電路板。即使是相同的封裝,在單層小電路板與多層且大面積鋪銅較多的電路板之間,也可能相差將近2倍。擴大銅箔面積或吹風,θJA會變小(容易散熱)。規格書的數值應視為比較用的參考,在實機上要量測溫度來確認。

將最大接面溫度 Tj(max) = 125 ℃、θJA = 50 ℃/W 的IC,在周圍溫度 Ta = 85 ℃ 下使用時,容許的功耗上限為多少?

  1. A0.8 W
  2. B2.5 W
  3. C1.7 W
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正確答案:A. 0.8 W

接面溫度可由 Tj = Ta + P × θJA 求得。將其對P求解,P = (Tj(max) − Ta)/θJA = (125 − 85)/50 = 0.8 W。周圍溫度越高,容許的溫升幅度越小,因此容許的功率也越小。2.5 W是忘了減去周圍溫度而算成125/50的錯誤,1.7 W是算成85/50的錯誤。實際上,要考慮θJA會因電路板而變以及降額的餘裕,將功率壓在比計算值更低的範圍來設計。

估算加裝散熱片使用之功率元件的接面溫度時,作為接面到周圍的熱阻應使用哪一種組合?

  1. A規格書的θJA(接面至周圍)加上散熱片至周圍的熱阻
  2. BθJC、外殼至散熱片之間的接觸熱阻、散熱片至周圍的熱阻之和
  3. C只用規格書的θJA(接面至周圍),即使加裝散熱片數值也不變
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正確答案:B. θJC、外殼至散熱片之間的接觸熱阻、散熱片至周圍的熱阻之和

θJC是從接面到封裝散熱面(外殼)的熱阻,是在外殼保持一定溫度的狀態下量測。加裝散熱片後,熱的大部分會從外殼流向散熱片,因此要將θJC、散熱膏等的接觸熱阻θCS、散熱片的熱阻θSA串聯相加來考慮。例如 1.0 + 0.5 + 3.0 = 4.5 ℃/W,損耗10 W時溫升為45 ℃。θJA是不加散熱片、安裝在測試用電路板上量測的數值,因此不能用於這種情況。

一般矽功率元件的最大接面溫度(Tj max)額定值,常見的是下列何者?

  1. A約500℃
  2. B約50℃
  3. C約150~175℃
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正確答案:C. 約150~175℃

矽功率元件一般將最大接面溫度規定為150 ℃或175 ℃。超過這個溫度,漏電流會急遽增加而容易發生熱失控,壽命也會大幅縮短。設計時會相對於最大值留有餘裕(例如以125 ℃左右運作)。SiC作為材料雖可承受300 ℃以上,但焊料、導線、樹脂等封裝材料的耐熱性成為實用上的限制。

常見問題

何時使用 θJA,何時使用 θJC?

θJA 是在不加散熱片、由電路板與周圍空氣冷卻時的接面至環境熱阻。θJC 是接面至外殼熱阻,加裝散熱片時要與 θCS 和 θSA 相加。在散熱片設計中把 θSA 加到 θJA 上是錯誤的。

在 Tj(max) = 125 ℃、θJA = 50 ℃/W、Ta = 85 ℃ 時,容許功率是多少?

Pmax = (125 − 85) ÷ 50 = 0.8 W。若環境溫度為 25 ℃,上限為 (125 − 25) ÷ 50 = 2.0 W,因此環境越熱,容許功率越低。

為什麼資料手冊的 θJA 與我的電路板不符?

θJA 是在 JEDEC 標準測試板等固定條件下量測的,會隨電路板尺寸、銅層數與氣流大幅變化。在實際系統中,常利用 ψJT 由量測到的封裝頂面溫度估算接面溫度。

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