芯片工作温度与表面温度

发表于 2011-7-20 17:17

本帖最后由 fhawy 于 2011-7-26 22:40 编辑

例如:一款芯片操作温度是0-70℃,表面温度已经达到85℃是否可以正常工作.表面温度与操作温度的关系,测试环境温度是35℃,温升50℃正常.如果不考虑芯片结温,怎证明温度达到85摄氏度不合理呢?是不是芯片的表面温度要控制在70℃一下呢?

我一直比较困惑,如芯片分为很多等级,例如一款芯片工作温度是这样的:民用级:0℃ to 80℃ 工业级 -40℃ to 80℃  军品级 -40℃ to 125℃ 所有的芯片结温最大都是150℃.单通过结温判断就有些不合适了吧! 芯片描述的操作温度如果是说芯片的周围环境温度,例如当时气温是30℃,这样是比较好理解.我个人比较同意芯片表面温度不超过最大工作温度.表面温度不等于工作温度也看起来是合理的.

芯片的结温计算:不加散热器的情况下,是否就是Tc(表面温度)+芯片Rja(热阻)*芯片的功耗,还是芯片的Ta(环境温度,例如当时的气温)+芯片Rja(热阻)*芯片功耗?

IC封装的热特性
摘要：IC封装的热特性对于IC应用的性能和可靠性来说是非常关键的。本文描述了标准封装的热特性：热阻(用“theta”或Θ表示)，ΘJA、ΘJC、ΘCA，并提供了热计算、热参考等热管理技术的详细信息。

引言
为确保产品的高可靠性，在选择IC封装时应考虑其热管理指标。所有IC在有功耗时都会发热，为了保证器件的结温低于最大允许温度，经由封装进行的从IC到周围环境的有效散热十分重要。本文有助于设计人员和客户理解IC热管理的基本概念。在讨论封装的热传导能力时，会从热阻和各“theta”值代表的含义入手，定义热特性的重要参数。本文还提供了热计算公式和数据，以便能够得到正确的结(管芯)温度、管壳(封装)温度和电路板温度。
热阻的重要性
半导体热管理技术涉及到热阻，热阻是描述物质热传导特性的一个重要指标。计算时，热阻用“Theta”表示，是由希腊语中“热”的拼写“thermos”衍生而来。热阻对我们来说特别重要。

IC封装的热阻是衡量封装将管芯产生的热量传导至电路板或周围环境的能力的一个标准。给出不同两点的温度，则从其中一点到另外一点的热流量大小完全由热阻决定。如果已知一个IC封装的热阻，则根据给出的功耗和参考温度即可算出IC的结温。

定义
以下章节给出了Theta (Θ)、Psi (Ψ)的定义，这些标准参数用来表示IC封装的热特性。

ΘJA是结到周围环境的热阻，单位是°C/W。周围环境通常被看作热“地”点。ΘJA取决于IC封装、电路板、空气流通、辐射和系统特性，通常辐射的影响可以忽略。ΘJA专指自然条件下(没有加通风措施)的数值。

ΘJC是结到管壳的热阻，管壳可以看作是封装外表面的一个特定点。ΘJC取决于封装材料(引线框架、模塑材料、管芯粘接材料)和特定的封装设计(管芯厚度、裸焊盘、内部散热过孔、所用金属材料的热传导率)。

对带有引脚的封装来说，ΘJC在管壳上的参考点位于塑料外壳延伸出来的1管脚，在标准的塑料封装中，ΘJC的测量位置在1管脚处。对于带有裸焊盘的封装，ΘJC的测量位置在裸焊盘表面的中心点。ΘJC的测量是通过将封装直接放置于一个“无限吸热”的装置上进行的，该装置通常是一个液冷却的铜片，能够在无热阻的情况下吸收任意多少的热量。这种测量方法设定从管芯到封装表面的热传递全部由传导的方式进行。

注意ΘJC表示的仅仅是散热通路到封装表面的电阻，因此ΘJC总是小于ΘJA。ΘJC表示是特定的、通过传导方式进行热传递的散热通路的热阻，而ΘJA则表示的是通过传导、对流、辐射等方式进行热传递的散热通路的热阻。

ΘCA是指从管壳到周围环境的热阻。ΘCA包括从封装外表面到周围环境的所有散热通路的热阻。

根据上面给出的定义，我们可以知道：

ΘJA = ΘJC + ΘCA

ΘJB是指从结到电路板的热阻，它对结到电路板的热通路进行了量化。通常ΘJB的测量位置在电路板上靠近封装的1管脚处(与封装边沿的距离小于1mm)。ΘJB包括来自两个方面的热阻：从IC的结到封装底部参考点的热阻，以及贯穿封装底部的电路板的热阻。

测量ΘJB时，首先阻断封装表面的热对流，并且在电路板距封装位置较远的一侧安装一个散热片。如下图1所示：

图1. ΘJB的测量过程示意图

ΨJB是结到电路板的热特性参数，单位是°C/W。**JESD51-12–Guidelines for Reporting and Using Package Thermal Information，明确指出热特性参数与热阻是不同的。与热阻ΘJB测量中的直接单通路不同，ΨJB测量的元件功率通量是基于多条热通路的。由于这些ΨJB的热通路中包括封装顶部的热对流，因此更加便于用户的应用。关于ΨJB参数的更多详细说明请参考JEDEC标准的JESD51-8和JESD51-12部分。

设计者可以通过热量建模或直接测量的方式确定ΘJB和ΨJB的值。对上述任意一种方式，参见下面的步骤：
1.       将功耗控制在适合ΘJB或ΨJB的范围内。
2.       测定管芯温度，通常用一个芯片上的二极管来实现。
3.       测定在距封装边缘小于1mm处的PCB温度。
4.       测定功耗。
ΨJT是衡量结温和封装顶部温度之间的温度变化的特征参数。当封装顶部温度和功耗已知时，ΨJT有助于估算结温。
热计算
结温
TJ = TA + (ΘJA × P)

其中：
TJ       = 结温
TA       = 周围环境温度
P       = 功耗，单位为W

TJ也可用ΨJB或ΨJT的值来计算，如：

TJ = TB + (ΨJB × P)

其中：
TB = 距离封装小于1mm处的电路板温度

TJ = TT + (ΨJT × P)

其中：
TT = 在封装顶部的中心处测得的温度。

注意：产品数据资料给出了每个器件所允许的最大结温。
最大允许功耗
Pmax = (TJ-max - TA) / ΘJA

Maxim产品中列出的最大允许功率是在环境温度为+70°C和最大允许结温为+150°C的条件下给出的。
降额系数
该系数描述了在环境温度高于+70°C时，每升高1°C所应降低的功耗值，单位为mW/°C。

降额系数 = P / (TJ - TA)

其中：
TA的典型值为+70°C (商用)。

TJ是最大允许结温，典型值为+150°C。

为了得到在环境温度超过+70°C时(例如，对于扩展温度范围的+85°C)的最大允许功率，可通过下面公式进行计算：

Pmax85C = Pmax70C - (降额系数 × (85 - 70))
热特性及测试条件
IC封装的热特性必须采用符合JEDEC标准的方法和设备进行测量。在不同的特定应用电路板上的热特性具有不同的结果。据了解JEDEC中定义的结构配置不是实际应用中的典型系统反映，而是为了保持一致性，应用了标准化的热分析和热测量方法。这有助于对比不同封装变化的热性能指标。

发表于 2011-7-20 23:54

因为芯片工作时会发热，所以结温必然高于器件表面的温度，而器件的工作温度范围指的是结温。在稳定的热环境下经过足够长的时间，芯片的温度会达到热平衡，楼主要测的是此时的温度，该温度当然不能超出器件手册所载明的工作温度范围。

发表于 2011-7-21 07:47

手册中应该还会标注出结到壳的热阻，这部分也必须计入发热公式中。
由于发热源是结，因此在升温阶段，结温必然高于壳温。

fhawy · 发表于 2011-7-21 09:23

一款芯片操作温度是0-70℃,表面温度已经达到85℃是否可以正常工作？
：不正常，操作温度必须要大于表面温度。
表面温度与操作温度的关系,测试环境温度是35℃,温升50℃正常.如果不考虑芯片结温,怎证明温度达到85摄氏度不合理呢?是不是芯片的表面温度要控制在70℃一下呢?
：你这个问题真实的问题应该是想问，器件手册中标注出的最大环境温度70度，这个概念的含义吧？
：这个概念的含义就是在芯片表面环境温度稳定后（包含芯片自身发热造成的热传导），低于70度时，芯片可以正常工作。

发表于 2011-7-21 10:14

本帖最后由 mmax 于 2011-7-21 10:18 编辑

“一款芯片操作温度是0-70℃,”
你说的操作温度，是芯片的工作环境温度。
实际工作环境温度是距CPU四周10mm左右的PCB上取点测量的温度。要去多个点，并取最大值。
比如芯片资料规定0~70度。只要保证CPU四周的PCB温度低于70度即可。

“表面温度已经达到85℃”，是CPU壳温，一般资料上会给出上限，你查资料判断一下。

是两个概念。
工作温度与壳温最明显的例子是白炽灯泡。
灯泡可以工作在-10~75度环境下。但他正常工作的时候，表面温度可能是一百多度。
因此你不能因为灯泡表面温度超过一百度，大于75度而认为设计不合格。

发表于 2011-7-21 15:50

让芯片工作在合适范围内，以保证产品的稳定性。
如果环境温度不允许，可以考虑换IC

发表于 2011-7-27 11:48

1# fhawy

T叔:我有个问题想请你帮助一下,关于芯片温度的.我晚上找了好久,但是没有一个满意或可以说服别人的答案,.问题是这样的,一个芯片资料上写明了,工作温度最高不超过70℃,但是我测试了芯片表面温度已经达到了100多℃,问题给设计人员反馈了,但是我说芯片表面温度必须低于工作温度,他们不同意我的关键.我想知道芯片的表面问题与工作温度两个之间区别.我是一个产品维修员,希望T叔多多指点,我的QQ:260713608 谢谢!我知道你比较忙,我的问题您有时间再给我解释一下就好了.非常感谢!
转发
[url=]

[/url] 2011-7-26 21:26 tyw
一般芯片手册上写的工作温度0～70℃,实际使用也只能在这个范围,才是安全可靠的,超过范围,不一定马上就坏,但这样设计是不合理的.
表面100多℃,内部会更高些.正规的测试方法,IC电路标准中有规定.
转发 [url=]

[/url] 2011-7-26 22:27 fhawy
谢谢T书,关于＂ＩＣ做业标准＂就是芯片手册吗？我也非常认同你的管见，芯片工作时，就是芯片中心点测试的温度要低于手册给的作环境温度范围（operating temperature range）．结温＝Tc(表面温度)+芯片Rja(热阻)*芯片的功耗　（当然还有芯片对空气的热阻，这样就太麻烦了，可以近似的用上面的公式吗）
转发 2011-7-27[url=]

[/url] 2011-7-27 08:50 tyw
正确测温方法是以一定面积,厚度的铜板复在芯片表面,再测铜板温度,以求一个平均值,这些规范是IC行业才会这么讲究的.
应用设计中没有这么抠,不过既然已测到100多℃,就是设计不妥.应该加散热片改进设计.
转发

发表于 2011-7-27 13:51

我刚开始进入电子这行，请多多关照。
看了这里内容，想请教下各位大侠。焊接时焊接的温度最少也要到200-300℃的，如果这个温度元器件可以承受话，芯片的运行环境温度才70℃，焊点在芯片上，芯片岂不是坏了吗？

发表于 2011-7-27 16:06

芯片运行温度和贮存温度是两回事,不要搅在一起,焊接温度是较高,但一般都限在几秒内,时间长了也会烫坏的.
芯片贮存温度一般有100多度,允许长时间保持,瞬时(几秒)达300度是不会损坏的.

发表于 2011-10-12 16:11

焊接温度可以很高，只要不物理上损坏芯片即可。芯片是硅和金属做的，不怕高温。只要塑料壳能受得了。而工作温度是保证功能正确。

发表于 2011-10-12 16:30

顶T叔，芯片也可过炉焊接其温度在250℃左右，其过炉时长达半分钟以上都是没问题的。在大批量生产中，不会搞洛铁焊的，那什么速度，都是用过炉的方式焊接的。。。。。。。

发表于 2011-11-23 13:28

“一款芯片操作温度是0-70℃,”
你说的操作温度，是芯片的工作环境温度。
实际工作环境温度是距CPU四周10mm左右的PCB上取点测量的温度。要去多个点，并取最大值。
比如芯片资料规定0~70度。只要保证CPU四周的PCB温 ...
mmax 发表于 2011-7-21 10:14

支持，尤其灯泡的例子太贴切了。
芯片的耐热关键是结温，
实际芯片的TJ和TΘJA是可准确测试出的，而工作温度的最大值就是根据这个算出来的
TA=TJ-TΘJA*P
而最高存储温度一般都是与TJ相等的
当你的使用的功率比额定功率低时，你的使用温度范围是可以高于芯片的工作温度

关于实际环境温度，我是觉得应该是测空气吧，不该测PCB，没找到相关资料

芯片工作温度与表面温度

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