如何准确估算IC结温

摘要

准确估算半导体器件的结温，对于确保器件的可靠性和性能至关重要。本文是一份全面的指南，详细介绍了如何准确估算IC结温。文中解释了热阻(θ)和热特性参数(ψ)等热参数的意义，并介绍了热参数对于实现有效热管理的作用。本文重点说明了不同参数之间的区别，并就如何在IC结温估算中正确应用参数提供了指导。此外，本文还讨论了结温估算中的常见错误，并分享了有关如何提升热测量精度的见解，从而为工程师优化电子设计提供重要的知识储备。

引言

准确估算结温对于确保半导体器件的可靠性、性能和寿命至关重要。结温直接影响电子元件的效率、稳定性和安全性。本文全面介绍了估算结温的方法，并着重阐述了如何运用热阻和热特性参数。通过这些估算方法，工程师可以实施有效的热管理策略，提升器件性能，并降低过热引起故障的风险。本文详细解释了基本热参数，重点说明了热阻和热特性参数的主要区别，并介绍了估算结温的实用方法。文中还包括案例研究，用来验证这些估算方法的准确性。无论是开发新的电子系统还是优化现有设计，本文提供的基本知识和工具都有助于实现精准热测量，确保器件可靠运行。

热参数概述

了解热阻和特性参数对于评估和比较电子封装的热性能至关重要。这些参数是实现有效热管理和准确估算结温的关键因素。表1概要介绍了五个主要热参数。

热阻与热特性参数

热阻(θ)和热特性参数(ψ)均与电子封装的热性能有关，并且都涉及到散热和温差等相似的概念，因此常常被混为一谈。然而，这两者的用途不同，推导条件也不同。热阻定义为两点（例如结至环境或结至外壳）之间的温差除以功耗的结果，它高度依赖于PCB设计和气流等特定条件。热阻通常仅考虑单个主要的热流路径，因此可用于比较不同封装的热性能和设计散热方案。而热特性参数定义为结与特定点（例如封装顶部或电路板）的温差除以功耗的结果，它会考虑各种导热路径的综合效应。热特性参数不太依赖于具体条件，在实际应用中运用这些参数可以更准确地估算结温。

表1.热参数

例如，提取结到外壳（顶部）热阻参数时，认为所有封装损耗都通过封装的顶部消散，热量通过单个主要路径流动。这些参数是通过仿真提取的，因此在仿真环境中设定了条件，使得所有热量必须从顶部散发出去。这在实际应用中不会发生，因为热量会通过IC中的不同路径消散。另一方面，提取结至外壳（顶部）热特性参数时，则认为对于IC中发生的损耗，只有一部分热量流过封装的顶部。它考虑了现实条件下所有可能的热流路径，因此更适合用来估算实际应用中的结温。图1通过一个简化的示意图，说明了提取这两种参数时热流路径的差异。请注意，此示意图只是为了方便读者理解，并没有准确描述实际的参数提取过程，也没有准确描绘封装内部的精确热流路径。

这两种指标之所以容易混淆，是因为它们都涉及温差和功耗。然而，它们有着不同的应用场合，并且受不同的因素影响。了解这些区别对于准确估算温度和实现有效的热管理至关重要。

图1.θJC和ψJT参数提取中的热流路径表示

结温估算方法

有多种方法可用来估算封装结温。务必使用正确的热参数来确保温度估算准确。下面讨论两种主要的结温估算方法，可轻松应用于实验装置。

方法1：利用结至环境热阻(θJA)

说明

此方法很实用，只需知道封装的损耗，就能大致估算结温，无需任何专用设备。

要求：

被测PCB上封装的θJA值。

准确测量运行环境温度和封装的损耗。

公式：

挑战：

θJA值高度依赖于PCB设计和气流，考虑不周可能会导致结果不准确。

另一个关键方面是要准确测量环境温度和IC损耗。

方法2：利用结至外壳（顶部）热特性(ψJT)

说明

使用此方法可以准确估算结温，但需要额外的设备来测量封装外壳温度。当封装上使用散热器时，不能使用这种方法来估算结温。

要求：

被测PCB上封装的ψJT值。

准确测量外壳顶部温度和封装的功耗。

壳温测量技术：

下面介绍两种常用的封装外壳温度测量方法：

使用热像仪：可以利用热像仪观测外壳温度。此方法适用于室温测量。准确测量取决于热像仪的精度和封装损耗。

使用热电偶：通过将热电偶安装在封装外壳顶部，可以测量外壳温度。此方法适用于所有温度下的测量，尤其是当封装需要放置在热箱中时。测量的准确性主要取决于所使用的热电偶和万用表。

公式：

挑战：

准确测量封装外壳温度对于精准估算结温至关重要。

将热电偶安装到封装外壳顶部进行温度测量可能会有难度。

案例研究

本文讨论的两种方法通过工作台测试进行了验证。我们采用MAX25255来检验测量的准确性。该器件具有温度传感器引脚，可监测IC裸片结温。监测结果可作为IC实际结温的参考，帮助我们评估每种方法估算结温的准确程度。下表列出了JEDEC板和评估套件上IC封装的不同热参数。在测试中，我们使用4层MAX25255评估套件进行工作台验证。

表2.MAX25255封装信息

测试用例的运行条件如下：

VIN = 12 V，VOUT = 3.3 V，IOUT = 8 A，fsw = 2100 kHz，Tamb = 25°C

效率 = 92.3%，IC损耗 = 1.7 W

裸片结温（通过TEMP引脚测量）= 57.3°C

使用不同技术来估算结温，了解估算结果与实际裸片温度的吻合度。

案例1：使用θJA

使用此方法计算封装结温时无需专用设备，有助于避免因设备校准问题引起的测量误差。只需将不同参数的值代入公式中即可计算出结温。对于被测IC，用此方法估算的结温如公式3所示。

这里估算的结温为56.45°C，接近TEMP引脚测量的实际结温。测量误差约为0.85°C (1.5%)。准确测量环境温度和IC损耗，对于有效降低结温估算误差至关重要。例如，仅0.1 W的IC损耗计算偏差，就足以使结温改变1.85°C (3.3%)。

案例2：使用ψJT和热像仪（测量外壳温度）

此方法使用热像仪来测量IC外壳顶部温度。本例使用的热像仪是E60BX，其精度为±2°C或±2%（取较大者）。让转换器运行15至20分钟，确保IC结温稳定。图2显示了测得的IC最大外壳温度。

图2.MAX25255 IC外壳顶部温度测量的热图像

热像仪测得的壳温为56.1°C。公式4用于计算结温。

这里估算的结温为57.09°C，与TEMP引脚测量的实际结温非常接近。测量误差约为0.21°C (0.37%)。该误差在测量所用的热像仪的精度范围内。在本例中，相较于IC损耗计算，准确估计外壳温度更为重要。例如，即使IC损耗计算偏差0.5 W，结温测量也仅偏差0.29°C/W (0.5%)。这是使用ψJT相比使用θJA的一大优势。

案例3：使用ψJT和热电偶

与案例2相比，此方法使用热电偶来测量封装外壳温度。需要根据应用的具体要求，选择合适的热电偶。本例选择K型热电偶，其精度为2.2°C或0.75%（取较大者）。将热电偶正确安装到封装外壳是确保测量准确的关键，可以使用导热膏或导热胶。确保导热膏或导热胶的额定温度高于待测封装所用的温度。本例使用导热材料TC3-1G。使用导热膏将热电偶安装到IC的顶部，确保热接触良好（图3）。

图3.使用导热膏将热电偶安装到MAX25255 IC外壳顶部

热电偶连接到Fluke 52 II温度计，其精度为±[0.05% + 0.3°C]。让转换器运行15至20分钟，确保IC结温稳定，然后读取温度计上的读数。在本例中，温度计读数为58°C。公式5用于计算结温。

这里估算的结温为58.98°C，不如前两种技术准确。测量误差约为1.68°C (2.93%)。外壳温度测量误差增大的原因是该技术使用了更多器件（热电偶、导热膏和温度计）。此误差仍在所涉及的不同设备的组合测量精度范围内。该技术的优点在于，当封装放置在热箱中时，也能使用该方法来估算结温。

这三个案例研究验证了所讨论的封装结温估算技术。使用θJA无需专用设备就能方便地获得一个近似值，但使用ψJT可以给出更准确的估计。与高度依赖于PCB设计的θJA相比，使用热特性参数可以更精准地估算实际应用中的结温。为了更好地了解这种区别，可以比较表2中MAX25255在JEDEC电路板和评估套件上的θJA和ψJT的数值。请注意，这两片电路板的θJA差异接近9°C/W，而ψJT仅相差0.02°C/W。

结论

本文全面介绍了关键热参数，包括热阻(θ)和热特性参数(ψ)，并阐述了它们在准确估算温度方面的作用。文中详细说明了估算无散热器封装结温的两种主要方法：使用结至环境热阻(θJA)和使用结至外壳（顶部）热特性参数(ψJT)。每种方法都有其特定的要求、程序步骤和难点。通过几个案例研究展示了这些方法的实际应用，强调了精准测量的重要性和不同技术对估算准确度的影响。为了获得准确的测量结果，实际应用中最好使用ψJT，而不是θJA。

本文还讨论了结温估算中的常见错误，例如误解热参数、错误使用θJA、损耗计算误差和壳温测量不当等。设计人员若能避免这些错误，就能提升热评估的准确度。总之，本文讨论的技术可能无法绝对精准地确定封装温度，但通过透彻了解热指标并仔细选择估算技术，就可以提高热测量的准确性。