半導(dǎo)體熱阻問題深度解析

羞紅的夏天

本文是將我以前的《有關(guān)熱阻問題》的文章重新梳理，按更嚴(yán)密的邏輯來講解。

晶體管(或半導(dǎo)體)的熱阻與溫度、功耗之間的關(guān)系為：

Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)=Tj-P*Rja

下圖是等效熱路圖：

公式中，Ta表示環(huán)境溫度，Tj表示晶體管的結(jié)溫， P表示功耗，Rjc表示結(jié)殼間的熱阻，Rcs表示晶體管外殼與散熱器間的熱阻，Rsa表示散熱器與環(huán)境間的熱阻。Rja表示結(jié)與環(huán)境間的熱阻。

當(dāng)功率晶體管的散熱片足夠大而且接觸足夠良好時(shí)，殼溫Tc=Ta，晶體管外殼與環(huán)境間的熱阻Rca=Rcs+Rsa=0。此時(shí) Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)演化成公式Ta=Tc=Tj-P*Rjc。

廠家規(guī)格書一般會(huì)給出，最大允許功耗Pcm、Rjc及(或) Rja等參數(shù)。一般Pcm是指在Tc=25℃或Ta=25℃時(shí)的最大允許功耗。當(dāng)使用溫度大于25℃時(shí)，會(huì)有一個(gè)降額指標(biāo)。

以O(shè)N公司的為例三級(jí)管2N5551舉個(gè)實(shí)例：

2N5551規(guī)格書中給出殼溫Tc=25℃時(shí)的最大允許功耗是1.5W，Rjc是83.3度/W。

代入公式Tc=Tj- P*Rjc有：25=Tj-1.5*83.3可以從中推出最大允許結(jié)溫Tj為150度。一般芯片最大允許結(jié)溫是確定的。

所以，2N5551的允許殼溫與允許功耗之間的關(guān)系為：Tc=150-P*83.3。比如，假設(shè)管子的功耗為1W，那么，允許的殼溫Tc=150-1*83.3=66.7度。

注意，此管子Tc =25℃時(shí)的最大允許功耗是1.5W，如果殼溫高于25℃,功率就要降額使用。規(guī)格書中給出的降額為12mW/度(0.012W/度）。我們可以用公式來驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論。假設(shè)殼溫為Tc，那么，功率降額為0.012*(Tc-25)。則此時(shí)最大總功耗為1.5-0.012*(Tc-25)。把此時(shí)的條件代入公式Tc=Tj- P*Rjc得出：

Tc=150-(1.5-0.012*(Tc-25))*83.3，公式成立。

一般情況下沒辦法測(cè)Tj，可以經(jīng)過測(cè)Tc的方法來估算Tj。公式變?yōu)椋?/font>

Tj=Tc+P*Rjc

同樣以2N5551為例。假設(shè)實(shí)際使用功率為1.2W，測(cè)得殼溫為60℃，那么，Tj=60+1.2*83.3=159.96此時(shí)已經(jīng)超出了管子的最高結(jié)溫150度了！

按照降額0.012W/℃的原則，60℃時(shí)的降額為(60-25)*0.012=0.42W，1.5-0.42=1.08W。也就是說，殼溫60℃時(shí)功率必須小于1.08W，否則超出最高結(jié)溫。

假設(shè)規(guī)格書沒有給出Rjc的值，可以如此計(jì)算：Rjc=(Tj-Tc)/P，如果也沒有給出Tj數(shù)據(jù)，那么一般硅管的Tj最大為150℃。同樣以2N5551為例。知道25度時(shí)的功率為1.5W，假設(shè)Tj為150，那么代入上面的公式：Rjc=(150-25)/1.5=83.3℃/W，恰好等于規(guī)格書給出的實(shí)際熱阻。

如果廠家沒有給出25℃時(shí)的功率。那么可以自己加一定的功率加到使其殼溫達(dá)到允許的最大殼溫時(shí)（比如民品級(jí)的器件為70℃），再把數(shù)據(jù)代入：Rjc=(Tjmax-Tcmax)/P。有給Tj最好，沒有時(shí)，一般硅管的Tj取150℃。

我還要作一下補(bǔ)充說明。

一、可以把半導(dǎo)體器件分為功率器件和小功率器件。

1、(大)功率器件的額定功率一般是指帶散熱器時(shí)的功率，散熱器足夠大時(shí)且散熱良好時(shí)，可以認(rèn)為其外殼到環(huán)境之間的熱阻為0，所以理想狀態(tài)時(shí)殼溫即等于環(huán)境溫度。功率器件由于采用了特殊的工藝，所以其最高允許結(jié)溫有的可以達(dá)到175℃。但是為了保險(xiǎn)起見，一律可以按150℃來計(jì)算。適用公式：Ta=Tc=Tj-P*Rjc。設(shè)計(jì)時(shí)，Tj最大值為150℃，Rjc已知，假設(shè)環(huán)境溫度也確定，根據(jù)殼溫即等于環(huán)境溫度，那么此時(shí)允許的P也就隨之確定。

2、小功率半導(dǎo)體器件，比如小功率晶體管，小功率IC，一般使用時(shí)是不帶散熱器的。所以這時(shí)就要考慮器件殼體到空氣之間的熱阻了。一般廠家規(guī)格書中會(huì)給出Rja，即結(jié)到環(huán)境之間的熱阻。（Rja=Rjc+Rca)。

同樣以三級(jí)管2N5551為例，其最大使用功率1.5W是在其殼溫Tc =25℃時(shí)取得的。假設(shè)此時(shí)環(huán)境溫度恰好是25℃，又要消耗1.5W的功率，還要保證殼溫也是25℃，唯一的可能就是它得到足夠良好的散熱！但是一般像 2N5551這樣TO-92封裝的三極管，是不可能帶散熱器使用的。所以，不帶散熱器的小功率半導(dǎo)體器件要用到的公式是Ta=Tj-P*Rja。一般小功率半導(dǎo)體器件的廠家會(huì)在規(guī)格書中給出Rja這個(gè)參數(shù)。

2N5551的Rja廠家給的值是200℃/W。已知其最高結(jié)溫是150℃，環(huán)境溫度為25℃時(shí)，求允許的功耗，可以把上述數(shù)據(jù)代入 Ta=Tj-P*Rja,得:25=150-P*200,從而得到，P=0.625W。事實(shí)上，規(guī)格書中就是0.625W。因?yàn)?N5551不會(huì)加散熱器使用，所以我們平常說的2N5551的功率是0.625W而不是1.5W！

還有要注意，SOT-23封裝的晶體管其額定功率和Rja數(shù)據(jù)是在焊接到規(guī)定的焊盤（有一定的散熱功能）上時(shí)測(cè)得的。

3、大功率晶體管的額定功率一般是指帶散熱器散熱器足夠大時(shí)且散熱良好時(shí)的功率。有時(shí)應(yīng)用中大功率晶體管不帶散熱器來使用，那么此時(shí)其最大功率如何求呢？

BU406的額定功率為60W(Tc=25℃)。BU406的Rja為70℃/W，最大結(jié)溫為150℃。由Ta= Tj-P*Rja變形為P=(Tj-Ta)/Rja，把上述數(shù)據(jù)代人此公式可得，P=(150-Ta)/70。比如環(huán)境溫度為25℃時(shí)，其最大允許功耗為 P=(150-25)/70=1.786W。如果機(jī)器的最高使用溫度為70℃，此時(shí)最大允許功耗為P=(150-70)/70=1.14W�？梢�，盡管BU406的額定功率為60W，但是如果不加散熱片使用，其在常溫下時(shí)的功率不過才1.786W！

4、由于半導(dǎo)體的額定功率都是在Tc=25℃或Ta=25℃的條件下得到的，超過25℃時(shí)，必須降額使用。而降額系數(shù)其實(shí)就是對(duì)應(yīng)熱阻的倒數(shù)。

比如說，BU406額定功率60W是在Tc=25℃條件下的，Rjc=2.08℃/W，那么其殼溫降額系數(shù)Kc=1/Rjc=1/2.08=0.48W/℃。這個(gè)結(jié)果與廠家規(guī)格書中給出的數(shù)據(jù)正好相同。

又比如，2N5551在Tc=25℃時(shí)的額定功率為0.625W，Rjc=83.3℃/W，其殼溫降額系數(shù)Kc=1/83.3=0.012W/℃。2N5551另外一個(gè)條件是在Ta=25℃時(shí)的額定功率為1.5W，Rja=200℃/W，則其環(huán)境溫度降額系數(shù)Ka=1/Rja=1/200=0.005W/℃。這些數(shù)據(jù)都和廠家資料符合。

也就是說，設(shè)計(jì)考慮半導(dǎo)體的功耗和溫度間的關(guān)系時(shí)，即使廠家沒給出降額系數(shù)，也可以根據(jù)熱阻來得出其降額系數(shù)。即 Kc=1/Rjc或Ka=1/Rja。

要特別說明，這里說的環(huán)境溫度降額系數(shù)指的是最大額定功耗本身的降額，為了保證晶體管的可靠性，設(shè)計(jì)降額還需在環(huán)境溫度降額系數(shù)的基礎(chǔ)上再降額0.5至0.75左右！

5、其實(shí)一般規(guī)格書中的最大允許儲(chǔ)存溫度其實(shí)也是最大允許結(jié)溫。最大允許操作溫度其實(shí)也就是最大允許殼溫。

最大允許儲(chǔ)存溫度時(shí)，功率P當(dāng)然為0，所以公式變?yōu)門cmax =Tjmax-0*Rjc，即Tcmax=Tjmax。是不是很神奇！

最大允許操作溫度，一般民用級(jí)（商業(yè)級(jí)）為70度，工業(yè)級(jí)的為85度。普通產(chǎn)品用的都是民用級(jí)的器件，工業(yè)級(jí)的一般貴很多。

熱路的計(jì)算，只要抓住這個(gè)原則就可以了：從芯片內(nèi)部開始算起，任何兩點(diǎn)間的溫差，都等于器件的功率乘以這兩點(diǎn)之間的熱阻。這有點(diǎn)像歐姆定律。任何兩點(diǎn)之間的壓降，都等于電流，乘以這兩點(diǎn)間的電阻。

不過要注意，熱量在傳導(dǎo)過程中，任何介質(zhì)，以及任何介質(zhì)之間，都有熱阻的存在，當(dāng)然熱阻小時(shí)可以忽略。比如散熱器面積足夠大時(shí)，其與環(huán)境溫度接近，這時(shí)就可以認(rèn)為熱阻為0。如果器件本身的熱量就造成了周圍環(huán)境溫度上升，說明其散熱片（有散熱片的話）或外殼與環(huán)境之間的熱阻比較大！這時(shí)，最簡(jiǎn)單的方法就是直接用Tc=Tj-P*Rjc來計(jì)算。其中Tc為殼溫，Rjc為結(jié)殼之間的熱阻。如果你Tc換成散熱片(有散熱片的話)表面溫度，那么公式中的熱阻還必須是結(jié)殼之間的加上殼與散熱器之間的在加散熱器本身的熱阻！另外，如果你的溫度點(diǎn)是以環(huán)境來取點(diǎn)，那么，想想這中間包含了還有哪些熱路吧。比如，散熱片與測(cè)試腔體內(nèi)空氣之間的熱阻，腔體內(nèi)空氣與腔體外空氣間的熱阻。這樣就比較難算了。

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