热阻和结温详细概念和设计指导

结温（junction temperature）

结温（junction temperature）是处于电子设备中实际半导体芯片（晶圆、裸片）的最高温度。它通常高于外壳温度和器件表面温度。结温可以衡量从半导体晶圆到封装器件外壳间的散热所需时间以及热阻。

2最高结温

最高结温会在器件的datasheet 数据表中给出，可以用来计算在给定功耗下器件外壳至环境的热阻。这可以用来选定合适的散热装置。如果器件工作温度超过最高结温，器件中的晶体管就可能会被破坏，器件也随即失效，所以应采取各种途径降低工作温度或是让结温产生的热量尽快散发至环境中。

结温为：热阻×输入电力+环境温度, 因此如果提高接合温度的最大额定值, 即使环境温度非常高, 也能正常工作。

一个芯片结温的估计值Tj ，可以从下面的公式中计算出来：

Tj=Ta+( R θJA × PD )

Ta = 封装的环境温度 ( º C )

R θJA = P-N结至环境的热阻 ( º C / W )

PD = 封装的功耗 (W)

3降低结温的途径

1、减少器件本身的热阻；

2、良好的二次散热机构；

3、减少器件与二次散热机构安装介面之间的热阻；

4、控制额定输入功率；

5、降低环境温度；

热阻thermal resistance

热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了 1W 热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W。用热功耗乘以热阻，即可获得该传热路径上的温升。可以用一个简单的类比来解释热阻的意义，换热量相当于电流，温差相当于电压，则热阻相当于电阻。

热阻Rja ：芯片的热源结（junction ）到周围冷却空气（ambient ）的总热阻，乘以其发热量即获得器件温升。

热阻Rjc ：芯片的热源结到封装外壳间的热阻，乘以发热量即获得结与壳的温差。 热阻Rjb ：芯片的结与PCB 板间的热阻，乘以通过单板导热的散热量即获得结与单板间的温差。

热阻公式

一般，热阻公式中，Tcmax =Tj - P*Rjc的公式是在假设散热片足够大而且接触足够良好的情况下才成立的，否则还应该写成 Tcmax =Tj - P*(Rjc+Rcs+Rsa). Rjc表示芯片内部至外壳的热阻，Rcs 表示外壳至散热片的热阻，Rsa 表示散热片的热阻，没有散热片时，Tcmax =Tj - P*(Rjc+Rca)。 Rca 表示外壳至空气的热阻. 一般使用条件用Tc =Tj - P*Rjc的公式近似。 厂家规格书一般会给出Rjc ，P 等参数。一般P 是在25度时的功耗. 当温度大于25度时，会有一个降额指标。

实例

举个实例：一、三级管2N5551 规格书中给出25度（Tc ）时的功率是1.5W(P)，Rjc 是83.3℃/W。此代入公式有：25=Tj-1.5*83.3，可以从中推出Tj 为150度。芯片最高温度一般是不变的。所以有Tc=150-Ptc*83.3，其中Ptc 表示温度为Tc 时的功耗. 假设管子的功耗为1W ，那么，Tc=150-1*83.3=66.7度。注意，此管子25度（Tc ）时的功率是1.5W ，如果壳温高于25度，功率就要降额使用. 规格书中给出的降额为12mW/度（0.012W/度）。我们可以用公式来验证这个结论. 假设温度为Tc ，那么，功率降额为0.012*(Tc-25）。则此时最大总功耗为1.5-0.012*(Tc-25）。把此时的条件代入公式得出： Tc=150-

（1.5-0.012*(Tc-25））×83.3，公式成立. 一般情况下没办法测Tj ，可以经过测Tc 的方法来估算Ttj ，公式变为： Tj=Tc+P*Rjc。

同样以2N5551为例. 假设实际使用功率为1.2W ，测得壳温为60度，那么：

Tj=60+1.2*83.3=159.96此时已经超出了管子的最高结温150度了！按照降额0.012W/度的原则，60度时的降额为（60-25）×0.012=0.42W,1.5-0.42=1.08W.也就是说，壳温60度时功率必须小于1.08W ，否则超出最高结温. 假设规格书没有给出Rjc 的值，可以如此计算： Rjc=(Tj-Tc)/P，如果也没有给出Tj 数据，那么一般硅管的Tj 最大为150至175度. 同样以2N5551为例。知道25度时的功率为1.5W ，假设Tj 为150，那么代入上面的公式： Rjc=（150-25）/1.5=83.3 如果Tj 取175度则 Rjc=（175-25）/1.5=96.6 所以这个器件的Rjc 在83.3至96.6之间. 如果厂家没有给出25度时的功率. 那么可以自己加一定的功率加到使其壳温达到允许的最大壳温时，再把数据代入： Rjc=(Tjmax-Tcmax)/P 有给Tj 最好，没有时，一般硅管的Tj 取150度。

补充说明

我还要作一下补充说明。

可以把半导体器件分为大功率器件和小功率器件。

1、大功率器件的额定功率一般是指带散热器时的功率，散热器足够大时且散热良好时，可以认为其表面到环境之间的热阻为0，所以理想状态时壳温即等于环境温度. 功率器件由于采用了特殊的工艺，所以其最高允许结温有的可以达到175度。但是为了保险起见，一律可以按150度来计算. 适用公式：Tc =Tj - P*Rjc.设计时，Tj 最大值为150,Rjc 已知，假设环境温度也确定，根据壳温即等于环境温度，那么此时允许的P 也就随之确定.

2、小功率半导体器件，比如小晶体管，IC ，一般使用时是不带散热器的。所以这时就要考虑器件壳体到空气之间的热阻了。一般厂家规格书中会给出Rja ，即结到环境之间的热阻.(Rja=Rjc+Rca)。同样以三级管2N5551为例，其最大使用功率1.5W 是在其壳温25度时取得的. 假设此时环境温度恰好是25度，又要消耗1.5W 的功率，还要保证可温也是25度，唯一的可能就是它得到足够良好的散热！但是一般像2N5551这样TO-92封装的三极管，是不可能带散热器使用的。所以此时，小功率半导体器件要用到的公式是： Tc =Tj - P*Rja。 Rja ：结到环境之间的热阻. 一般小功率半导体器件的厂家会在规格书中给出这个参数。2N5551的Rja 厂家给的值是200度/W。已知其最高结温是150度，那么其壳温为25度时，允许的功耗可以把上述数据代入Tc =Tj - P*Rja 得到 25=150-P*200，得到P=0.625W。事实上，规格书中就是0.625W. 因为2N5551不会加散热器使用，所以我们平常说的2N5551的功率是0.625W 而不是1.5W ！还有要注意，SOT-23封装的晶体管其额定功率和Rja 数据是在焊接到规定的焊盘（有一定的散热功能）上时测得的。

3、另外告诉大家一个窍门，其实一般规格书中的最大允许储存温度其实也是最大允许结温。最大允许操作温度其实也就是最大允许壳温. 最大允许储存温度时，功率P 当然为0，所以公式变为Tcmax =Tjmax - 0*Rjc，即Tcmax =Tjmax。是不是很神奇！最大允许操作温度，一般民用级（商业级）为70度，工业级的为80度. 普通产品用的都是民用级的器件，工业级的一般贵很多。 热路的计算，只要抓住这个原则就可以了：从芯片内部开始算起，任何两点间的温差，都等于器件的功率乘以这两点之间的热阻. 这有点像欧姆定律。任何两点之间的压降，都等于电流乘以这两点间的电阻。不过要注意，热量在传导过程中，任何介质，以及任何介质之间，都有热阻的存在，当然热阻小时可以忽略. 比如散热器面积足够大时，其与环境温度接近，这时就可以认为热阻为0. 如果器件本身的热量就造成了周围环境温度上升，说明其散热片（有散热片的话）或外壳与环境之间的热阻比较大！这时，最简单的方法就是直接用Tc =Tj - P*Rjc来计算. 其中Tc 为壳温，Rjc 为结壳之间的热阻. 如果你Tc 换成散热片（有散热片的话）表面温度，那么公式中的热阻还必须是结壳之间的加上壳与散热器之间的在加散热器本身的热阻！另外，如果你的温度点是以环境来取点，那么，想想这中间包含了还有哪些热路吧。比如，散热片与测试腔体内空气之间的热阻，腔体内空气与腔体外空气间的热阻. 这样就比较难算了。