MOSFET的热阻相关参数

主要是关于MOSFET的基础知识，但是发现看datasheet的时候还是一脸懵，有些参数好像是未曾相识，所以就有了现在的这个补充内容，话不多说正式开始。

Part1：热阻参数篇

图：MOSFET datasheet中热阻参数

经常查看半导体的规格书的时候，几乎都有关于热阻的参数，主要有以下几种，可能很多人都搞不清热阻的概念，也分不清这几个参数的区别，在实际运用中也不知道用哪一个参数来计算。

图：常见的热阻参数

热阻的概念

在通常条件下，热量的传递通过传导、对流、辐射三种方式进行。

传导是通过物体的接触，将热流从高温向低温传递，导热率越好的物体则导热性能越好，一般来说金属导热性能最好； 对流是通过物体的流动将热流带走，液体和气体的流速越快，则带走的热量越多； 辐射不需要具体的中间媒介，直接将热量发送出去，真空中效果更好。

半导体器件热量主要是通过三个路径散发出去：封装顶部到空气，封装底部到电路板和封装引脚到电路板。

电子器件散热中最常用的，也是最重要的一个参数就是热阻（Thermal Resistance）。热阻是描述物质热传导特性的一个重要指标。 以集成电路为例，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和能力。 定义如下：

热阻值一般常用 Θ 表示，其中 Tj 为芯片 Die 表面的温度（也叫做结温），Tx 为热传导到某目标点位置的温度，P 为输入的发热功率。电子设计中，如果电流流过电阻就会产生压差。同理，如果热量流经热阻就会产生温差。热阻大表示热不容易传导，因此器件所产生的温度就比较高，由热阻可以判断及预测器件的发热状况。通常情况下，芯片的结温升高，芯片的寿命会减少，故障率也增高。在温度超过芯片给定的额定最高结温时，芯片就可能会损坏。热阻越小，则表示散热性能越好。

ΘJA 

ΘJA是芯片 Die 表面到周围环境的热阻，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。由于测量是在标准规范的条件下测试，因此对于不同的基板设计以及环境条件就会有不同的结果，因此此值可以用于比较封装散热的容易与否，用于定性的比较。

ΘJC

ΘJC是芯片 Die 表面到封装外壳的热阻，外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在外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。该值主要是用于评估散热片的性能。

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 

ΘCA 是指从芯片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

ΘJB是指从芯片表面到电路板的热阻，它对芯片 Die 表面到电路板的热通路进行了量化，可用于评估 PCB 的传热效能。ΘJB包括来自两个方面的热阻：从芯片 Die 表面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。该值可用于评估 PCB 的热传效能。

从这里，我们可以看出，热量的传递主要有三条路径，

第一：芯片 Die 表面的热量通过封装材料（Mold Compound）传导到器件表面然后通过对流散热/辐射散到周围。

第二：是从芯片 Die 表面到焊盘，然后由连接到焊盘的印刷电路板进行对流/辐射散。

第三：芯片表面热量通过 Lead Frame传递到 PCB 上散热。

热阻的应用

MOSFET的功率损耗主要受限于MOSFET的结温，基本原则就是任何情况下，结温不能超过规格书里定义的最高温度。而结温是由环境温度和MOSFET自身的功耗决定的，所以在实际测试和计算需要获取以下参数

① 求的IC工作时的功率

②在实际工作环境下，用热电偶/热成像获得环境温度和壳温

③带入公式，求得实际结温。

温度之间的换算关系：Tc=Tj-P*Rjc 或者Ta = Tj -P* Rja。

case1、当我们知道了MOSFET的壳温Tc（Ta的计算方式相同），根据公式就可以估算结温

假设测的器件壳温下Tc=45℃，最大功耗通过计算为P=1.2W(P=VDS*ID) ，Rjc =83.3。则可以得到Tj=45+1.2*83.3=144.96。把这个值和规格书的结温进行比较，通常需要降额进行使用。

case2、反过来假设已经知道结温不能超过150℃后，壳温Tc=45℃,则可以计算最大功耗的值 : P=(Tj-Tc)/Rjc = (150-45)/83.3 = 1.26W