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准确估算半导体器件的结温度对于确保其可靠性、性能和寿命至关重要。结点温度直接影响电子元件的效率、稳定性和安全性。

本文介绍了估算结口温度的技术，重点是利用热阻和热表征参数。通过遵循这些技术，工程师可以实施有效的热管理策略，提升设备性能，并降低过热相关故障的风险。

此外，文章详细介绍了基本的热参数，强调了热阻参数与热表征参数之间的关键区别，并介绍了估算结温的实用方法。同时还包括案例研究，以验证这些方法的准确性。

理解热阻和表征参数对于评估和比较电子封装的热性能至关重要。这些参数在有效的热管理和准确的结温度估计中起着关键作用。表1展示了五个主要热参数的概述。

热阻与热表征参数

热阻（θ）和热表征（ψ）参数常被混淆，因为它们都涉及电子封装的热性能，并且涉及类似的散热和温差概念。然而，它们的作用不同，且在不同的条件下生成。

热阻测量两个点（例如接点到环境温度，接点到机壳）除以功率耗散的温度差，高度依赖于印刷电路板设计和气流等具体条件。它通常考虑单一的主导热流路径，因此适合比较不同封装的热性能和设计冷却方案。

热特性参数测量结点与特定点（例如封装顶部、板材顶部）之间的温差除以功率耗散，考虑多种热传导路径的综合效应。这些参数对具体条件的依赖较小，在实际应用中提供了更准确的结温估计。

例如，结到外壳（顶部）热阻参数提取认为所有封装损耗通过封装顶部耗散，热量通过单一主导路径流动。参数通过模拟提取，因此在模拟中形成条件，强制所有热量从顶部散发。在实际应用中不会发生这种情况，因为热量会通过集成电路的不同路径散发。

另一方面，结到外壳（顶部）热表征参数是通过考虑IC中发生损耗时，只有部分热量通过封装顶部流出来的。它考虑了现实世界中所有可能的热流路径，使其更适合在实际应用中估算结口温度。

图1简化了提取这两个参数时热流路径差异的说明。请注意，此图旨在简化理解，未准确描绘实际的参数提取过程或封装内部的热流路径。

1. 以θ_JC表示热流路径，ψ_JT参数提取。

这两种指标之间的混淆源于它们都涉及温度差和功率耗散，但它们在不同的情境下应用，且有明显的依赖关系。理解这些差异对于准确的热估计和管理至关重要。

结温度估计技术

可以使用多种技术来估算封装结温度。使用正确的热参数对于确保准确的温度估计至关重要。以下是两种主要方法，这些方法可以轻松应用于结温度估计的实验装置。

方法1：利用结点到环境热阻（θ_JA）

描述

这是一种无需专业设备即可大致估算接头温度的好方法。本质上，它提供了包内损失的概念。

要求

• 该封装针对被测PCB的θ_JA值。

• 工作环境温度和封装内的准确损耗。

方程

挑战

• θ_JA值很大程度上取决于PCB设计和气流，如果未正确考虑，可能导致精度不准确。

• 准确测量环境温度和IC损耗也是关键方面。

方法2：使用接头到外壳（顶部）热特性分析（ψ_JT）

描述

该方法在估计结温度方面很准确，但需要额外设备测量封装壳体温度。当封装使用散热片时，它无法用来估算结温度。

要求

• 被测PCB封装的ψ _JT 值。

• 准确测量机壳顶部温度和封装功率耗散。

壳体温度测量技术

两种常用的封装壳温测量方法是：

• 使用热成像相机：可以使用热成像相机来观察机壳温度。该方法适用于室温测量。准确测量依赖于热成像相机的精度以及封装损耗。

• 使用热电偶：可以将热电偶连接到包装盒顶部以测量机壳温度。该方法适用于所有温度的测量，尤其是在需要将封装放入热室时。准确测量主要依赖于所使用的热电偶和万用表。

方程

挑战

• 准确测量封装壳体温度对于精确估算接点温度至关重要。

• 将热电偶连接到包装外壳顶部进行温度测量可能具有挑战性。

方法验证：案例研究

本文讨论的两种方法通过bench验证得到验证。为了测试测量准确性，采用了MAX25255，该装置配有温度传感器引脚，用于监测IC芯片结温度。这为IC的实际结温以及每种方法估算结温的准确度提供了参考点。

JEDEC板和EV套件IC封装的不同热参数见表2。在我们的测试中，我们使用四层电动车MAX25255套件进行台架验证。

测试用例的作条件如下：

• V_输入 = 12 V，V_输出 = 3.3 V，I_输出 = 8 A，fsw = 2,100 kHz，Tamb = 25°C

• 效率 = 92.3%，集成电路损耗 = 1.7 W

• 芯片结温度（以温度针测量）= 57.3°C

不同技术用于估算结温度，以判断它们与实际芯片温度的匹配度。

情况1：使用 θ_JA

该方法无需专用设备计算封装结温度，从而降低了因设备校准错误导致测量误差的可能性。只需将方程中不同参数相等即可计算结温度。对于被测的集成电路，该方法的结温估计如下方程3：

此处估算的结点温度为56.45°C，接近温度针所测得的实际结点温度。测量误差约为0.85°C（1.5%）。准确测量环境温度和集成电路损耗对于最小化结温度估计的误差至关重要。例如，即使误算IC损耗0.1瓦，结温度也会变化1.85°C（3.3%）。

情况2：使用ψ _JT配合热成像相机进行壳体测量

该方法使用热成像相机测量IC外壳的最高温度。热成像相机为E60BX，精度为±2°C或±2%（以较高者为准）。让转换器运行15到20分钟，以确保IC结温度稳定。IC捕获的最大机壳温度如图2所示。

2. 用于MAX25255 IC外壳顶部温度测量的热成像。

热成像相机测得的机壳温度为56.1°C。 方程4用于计算结温度：

此处估算的结点温度为57.09°C，非常接近TEMP针所测得的实际结点温度。测量误差约为0.21°C——约0.37%，这是用于测量的热成像相机精度误差。准确估算机壳温度比IC损耗计算更为关键。例如，即使IC损耗计算偏差0.5瓦，结温度测量也会偏差0.29°C/W（0.5%）。这是使用ψ _JT相较于θ_JA的一个主要优势。

情况3：使用ψ _JT配合热电偶

与案例2相比，该方法使用热电偶测量包装壳温度。需要根据应用规格选择合适的热电偶。此时选择K型热电偶，其精度为2.2°C或0.75%（以较高者为准）。

将热电偶固定在封装壳上至关重要，以确保测量准确——可以使用导热膏或热热胶。确保导热膏或胶水的温度额定高于包装测试所需的温度。此时使用热复合物TC3-1G。用导热膏将热电偶固定在IC顶部，以确保良好的热接触（见图3）。

3. 使用热解膏与MAX25255 IC外壳顶部的热电偶连接。

热电偶连接到一台Fluke 52 II温度计，其精度为±[0.05% + 0.3°C]。让转换器运行15到20分钟，确保集成电路结温度稳定，并测量温度计的读数。这次温度计读数为58°C。 方程5用于计算结温度：

这里估算的接头温度是58.98°C，但准确度不如前两种。测量误差约为1.68°C——约2.93%。壳体温度测量误差增加的原因在于该技术中加入了相关设备（热电偶、导热膏和温度计）。这仍然在不同设备测量精度的综合范围内。该技术的一个优点是，当封装被放入热室时，也可以用于估算结点温度。

这三个案例研究验证了所讨论的封装结温度估计技术。虽然使用 θ_JA 可以不用专用设备就能大致估算，但 ψ_JT 能提供更准确的估计。与极限度依赖PCB设计的θ_JA相比，这些参数在实际应用中提供了更精确的结温估计。

一个很好的例子是比较表2中JEDEC板和EV套件中MAX25255 θ_JA和ψ_JT的数值。注意，两块板子的θ_JA变化接近9°C/W，而ψ _JT仅变化0.02°C/W。

总之，本文讨论的技术可能无法绝对精确地测定包装温度。然而，只要深入了解热度量并精心选择估算技术，我们可以提高热测量的准确性。

关键词： 热管理 IC结 热阻 热表征