如何精準估算IC接面溫度

作者：ADI 資深工程師Ankul Gupta

摘要

精準估算半導體元件的接面溫度，對於確保元件的可靠性和性能非常重要。本文是一份全面的指南，詳細介紹如何精準估算IC接面溫度。文中解釋熱阻(θ)和熱特性參數(ψ)等熱參數的意義，並介紹熱參數對於實現有效熱管理的作用。本文重點說明不同參數之間的區別，並就如何在IC接面溫度估算中正確應用參數提供了指導。此外並討論接面溫度估算中的常見錯誤，及分享有關如何提升熱測量精度的見解，進而為工程師優化電子設計提供重要的必備知識。

引言

精準估算接面溫度對於確保半導體元件的可靠性、性能和壽命非常重要。接面溫度直接影響電子元件的效率、穩定性和安全性。本文全面介紹估算接面溫度的方法，並著重闡述如何運用熱阻和熱特性參數。透過這些估算方法，工程師可以進行有效的熱管理策略，提升元件性能，並降低過熱引起故障的風險。另詳細解釋基本熱參數，重點說明熱阻和熱特性參數的主要區別，以及介紹估算接面溫度的實用方法。文中還包括案例研究，用來驗證這些估算方法的精準性。無論是開發新的電子系統還是優化現有設計，提供的基本知識和工具都有助於實現精準熱測量，確保元件可靠運行。

熱參數概述

瞭解熱阻和特性參數對於評估和比較電子封裝的熱性能非常重要。這些參數是實現有效熱管理和精準估算接面溫度的關鍵因素。表1概要介紹了五個主要熱參數。

熱阻與熱特性參數

熱阻(θ)和熱特性參數(ψ)均與電子封裝的熱性能有關，並且都涉及到散熱和溫差等相似的概念，因此常常被混為一談。然而，此兩者的用途不同，推導條件也不同。熱阻定義為兩點（例如結至環境或結至外殼）之間的溫差除以功耗的結果，其高度依賴於PCB設計和氣流等特定條件。熱阻通常僅考慮單個主要的熱流路徑，因此可用於比較不同封裝的熱性能和設計散熱方案。而熱特性參數定義為結與特定點（例如封裝頂部或電路板）的溫差除以功耗的結果，它會考慮各種導熱路徑的綜合效應。熱特性參數不太依賴於具體條件，在實際應用中運用這些參數可以更精準地估算接面溫度。

例如，擷取結到外殼（頂部）熱阻參數時，認為所有封裝損耗都透過封裝的頂部消散，熱量透過單個主要路徑流動。這些參數是透過模擬擷取的，因此在模擬環境中設定了條件，使得所有熱量必須從頂部散發出去。這在實際應用中不會發生，因為熱量會透過IC中的不同路徑消散。另一方面，提取結至外殼（頂部）熱特性參數時，則認為對於IC中發生的損耗，只有一部分熱量流過封裝的頂部。其考慮了現實條件下所有可能的熱流路徑，因此更適合用來估算實際應用中的接面溫度。圖1透過一個簡化的示意圖，說明了擷取這兩種參數時熱流路徑的差異。請注意，此示意圖只是為了方便理解，並沒有精準描述實際的參數擷取過程，也沒有精確描繪封裝內部的精確熱流路徑。

這兩種指標之所以容易混淆，是因為它們都涉及溫差和功耗。然而其有著不同的應用場合，並且受不同的因素影響。瞭解這些區別對於精準估算溫度和實現有效的熱管理非常重要。

接面溫度估算方法

有多種方法可用來估算封裝接面溫度。務必使用正確的熱參數來確保溫度估算精準。下面討論兩種主要的接面溫度估算方法，可輕鬆應用於實驗裝置。

方法1：利用結至環境熱阻(θ_JA)

說明

此方法很實用，只需知道封裝的損耗，就能大致估算接面溫度，無需任何專用設備。

要求：

• 被測PCB上封裝的 θ_JA值。
• 精準測量運行環境溫度和封裝的損耗。

公式：

挑戰： 

• θ_JA 值高度依賴於PCB設計和氣流，考慮不周全可能會導致結果不精準。
• 另一個關鍵方面是要精準測量環境溫度和IC損耗。

方法2：利用結至外殼（頂部）熱特性 (ψ_JT)

說明

使用此方法可以精準估算接面溫度，但需要額外的設備來測量封裝外殼溫度。當封裝上使用散熱器時，不能使用這種方法來估算接面溫度。

要求：

• 被測PCB上封裝的 ψ_JT值。
• 精準測量外殼頂部溫度和封裝的功耗。

殼溫測量技術：

以下介紹兩種常用的封裝外殼溫度測量方法：

• 使用熱像儀： 可以利用熱像儀觀測外殼溫度。此方法適用於室溫測量。精準測量取決於熱像儀的精度和封裝損耗。
• 使用熱電耦：透過將熱電耦安裝在封裝外殼頂部，可以測量外殼溫度。此方法適用於所有溫度下的測量，尤其是當封裝需要放置在熱箱中時。測量的精準性主要取決於所使用的熱電耦和萬用表。

公式：

挑戰：

• 精準測量封裝外殼溫度對於精準估算接面溫度非常重要。
• 將熱電耦安裝到封裝外殼頂部進行溫度測量可能會有難度。

案例研究

本文討論的兩種方法透過工作台測試進行了驗證。我們採用 MAX25255 來檢驗測量的精準性。該元件具有溫度感測器接腳，可監測IC晶片接面溫度。監測結果可作為IC實際接面溫度的參考，以協助我們評估每種方法估算接面溫度的精準程度。下表列出了JEDEC板和評估套件上IC封裝的不同熱參數。在測試中，我們使用4層MAX25255評估套件進行工作台驗證。

測試案例的運行條件如下：

• V_IN = 12 V, V_OUT = 3.3 V, I_OUT = 8 A, fsw = 2100 kHz, Tamb = 25°C
• 效率 = 92.3%，IC損耗 = 1.7 W
• 晶片接面溫度（透過TEMP接腳測量）= 57.3°C

使用不同技術來估算接面溫度，瞭解估算結果與實際晶片溫度的吻合度。

案例1：使用 θ_JA

使用此方法計算封裝接面溫度時無需專用設備，有助於避免因設備校準問題引起的測量誤差。只需將不同參數的值代入公式中即可計算出接面溫度。對於被測IC，用此方法估算的接面溫度如公式3所示。

這裡估算的接面溫度為56.45°C，接近TEMP接腳測量的實際接面溫度。測量誤差約為0.85°C (1.5%)。精準測量環境溫度和IC損耗，對於有效降低接面溫度估算誤差非常重要。例如，僅0.1 W的IC損耗計算偏差，就足以使接面溫度改變1.85°C (3.3%)。

案例2：使用ψ_JT和熱像儀（測量外殼溫度）

此方法使用熱像儀來測量IC外殼頂部溫度。本例使用的熱像儀是E60BX，其精度為±2°C或±2%（取較大者）。讓轉換器運行15至20分鐘，確保IC接面溫度穩定。圖2顯示了測得的IC最大外殼溫度。

熱像儀測得的殼溫為56.1°C。公式4用於計算接面溫度。

這裡估算的接面溫度為57.09°C，與TEMP接腳測量的實際接面溫度非常接近。測量誤差約為0.21°C (0.37%)。該誤差在測量所用的熱像儀的精度範圍內。在本例中，相較於IC損耗計算，精準估計外殼溫度更為重要。例如，即使IC損耗計算偏差0.5 W，接面溫度測量也僅偏差0.29°C/W (0.5%)。這是使用 ψ_JT相較於使用θ_JA的一大優勢。

案例3：使用ψ_JT和熱電耦

相較於案例2，此方法使用熱電耦來測量封裝外殼溫度。需要根據應用的具體要求，選擇合適的熱電耦。本例選擇K型熱電耦，其精度為2.2°C或0.75%（取較大者）。將熱電耦正確安裝到封裝外殼是確保測量精準的關鍵，可以使用導熱膏或導熱膠。確保導熱膏或導熱膠的額定溫度高於待測封裝所用的溫度。本例使用導熱材料TC3-1G。使用導熱膏將熱電耦安裝到IC的頂部，確保熱接觸良好（圖3）。

熱電耦連接到Fluke 52 II溫度計，其精度為±[0.05% + 0.3°C]。讓轉換器運行15至20分鐘，確保IC接面溫度穩定，然後讀取溫度計上的讀數。在本例中，溫度計讀數為58°C。公式5用於計算接面溫度。

這裡估算的接面溫度為58.98°C，不如前兩種技術精準。測量誤差約為1.68°C (2.93%)。外殼溫度測量誤差增大的原因是該技術使用了更多元件（熱電耦、導熱膏和溫度計）。此誤差仍在所涉及的不同設備的組合測量精度範圍內。該技術的優點在於，當封裝放置在熱箱中時，也能使用該方法來估算接面溫度。

這三個案例研究驗證了所討論的封裝接面溫度估算技術。使用 θ_JA無需專用設備就能方便地獲得一個近似值，但使用ψ_JT 可以提供更精準的估計。相較於高度依賴於PCB設計的 θ_JA，使用熱特性參數可以更精準地估算實際應用中的接面溫度。為了更能瞭解這種區別，可以比較表2中MAX25255在JEDEC電路板和評估套件上的θ_JA和ψ_JT的數值。請注意，此兩片電路板的θJA差異接近9°C/W，而ψJT僅相差0.02°C/W。

結論

本文全面介紹關鍵熱參數，包括熱阻(θ)和熱特性參數(ψ)，並闡述其在精準估算溫度方面的作用。文中詳細說明估算無散熱器封裝接面溫度的兩種主要方法：使用結至環境熱阻(θ_JA)和使用結至外殼（頂部）熱特性參數(ψ_JT)。每種方法都有其特定的要求、程式步驟和難點。透過幾個案例研究展示了這些方法的實際應用，強調精準測量的重要性和不同技術對估算精準度的影響。為了獲得精準的測量結果，實際應用中最好使用ψ_JT，而不是θ_JA。

文中也討論接面溫度估算中的常見錯誤，例如誤解熱參數、錯誤使用 θ_JA、損耗計算誤差和殼溫測量不當等。設計人員若能避免這些錯誤，就能提升熱評估的精準度。總之，本文討論的技術可能無法絕對精準地確定封裝溫度，但透過透徹瞭解熱指標並仔細選擇估算技術，就可以提高熱測量的精準性。