如何计算芯片结温介绍参数基本定义芯片结温TJ的含义温度测量及结温计算TA测量及TJ计算器硅核到周围空气TC测量及TJ计算器硅核到封装表面TB测量及TJ计算器硅核到PCB板有绝缘层测试无绝缘层测试示例温升测试最大耗散功率最大耗散功率的计算示例介绍经常在看芯片手册的时候会看到芯片的工作温度存储温度以及结温不是非常了解这些温度的测试标准以及具体含义下面梳理一下这些温度的具体意义主要参考《JEDEC EIA/JESD 51-X Series Standards》标准。参数基本定义TJ芯片结温Die junction temperature, °CTC芯片封装表面温度Package case temperature, °CTB放置芯片的PCB板温度Board temperature adjacent to package, °CTT芯片封装顶面中心温度Top of package temperature at center, °CTA芯片周围空气温度Ambient air temperature, °CqJA硅核到周围空气的热阻系数Thermal resistance junction-to-ambient, °C/WqJC硅核到封装表面的热阻系数Thermal resistance junction-to-case, °C/WqJB硅核到PCB板的热阻系数Thermal resistance junction-to-board, °C/WYJB硅核到PCB板的特征参数Junction-to-board characterization parameter°C/WYJT硅核到封装顶部的特征参数Junction-to-top (of package) characterization parameter, °C/WP设备功耗Power dissipated by device, Watts芯片结温TJ的含义芯片结温Junction Temperature, Tj是指半导体芯片内部晶体管单元即硅晶圆上的核心电路的实际工作温度。物理位置结温特指芯片中PN结如CMOS晶体管的源极-漏极通道的温度是芯片最热、最需关注的区域。例如CPU的运算核心、eMMC控制器的NAND接口逻辑等。与其它温度的区别温度类型测量位置特点结温Tj芯片内部硅晶圆热点最高、直接决定芯片寿命和性能无法直接物理接触测量。壳温Tc芯片封装外壳表面通过热电偶测量通常比Tj低5°C~20°C依赖封装热阻。环境温度Ta芯片周围空气温度最低用于系统级散热设计。为什么结温关键性能与可靠性结温升高会导致电子迁移加剧可能引发永久性损坏。工业芯片通常要求Tj ≤ 125°C汽车级需≤150°C。高温下芯片可能触发** thermal throttling**降频保护如eMMC在Tj85°C时自动降低读写速度。寿命估算经验法则结温每升高10°C~15°C芯片寿命减半Arrhenius模型。温度测量及结温计算下图是热阻计算公式的总结通过下面的公式可以通过手册中的可获取的参数计算得到芯片工作的实际结温。TA测量及TJ计算器硅核到周围空气TA温度测试点热阻计算公式qJA TJ- TA/P公式变换TJ TA qJA*PTC测量及TJ计算器硅核到封装表面一般TC温度测试点有三种情况顶面导电封装顶层导电封装底层导电封装热阻计算公式qJCTJ- TC/P公式变换TJ TC qJC*PTB测量及TJ计算器硅核到PCB板有绝缘层测试TB PCB板测试点有绝缘层热阻计算公式qJBTJ- TB/P公式变换TJ TB qJB*P无绝缘层测试TB PCB板测试点热阻计算公式YJBTJ- TB/P公式变换TJ TB YJB*PYJT测试方法热阻计算公式YJCTJ- TT/P公式变换TJ TT YJC*P示例比如一个芯片热阻qJA55°C/W测试得到工作环境温度TA 35°C工作功耗P0.6W则可以计算结温TJ 35°C (55°C/W * 0.6W) 68°C注一般要求TA不要超过手册要求结温也要低于手册要求并要留有余量10~15°C为宜下面看一下实际数据手册的数据要保证芯片安全温度的工作环境温度TA应该满足在-10~70°C范围内并且最后计算出来的结温应该低于120°C留有15°C余量。温升测试热电偶根据赛贝克效应当两种不同材料的导体或半导体焊接构成回路两个端点的温差便产生电动势形成电流。热电偶模块应该是包括热电偶线和热电偶采集板。最大耗散功率最大耗散功率Maximum Power Dissipation是指芯片或电子元件在指定的工作条件下能够安全散发的最大热功率通常以瓦特W为单位表示。这是一个关键的设计参数用来确保元件不会因过热而损坏或失效。具体解释1、功耗和热量当电子元件如芯片、晶体管工作时会消耗电能其中一部分电能会转化为热量。如果这个热量不能被有效散发出去元件的内部温度即结温就会升高。2、最大耗散功率的意义安全运行限制最大耗散功率定义了元件在特定环境温度下能够持续散发的最大热功率同时保持结温在安全范围内。散热设计指导这个参数帮助工程师设计散热方案确保元件在实际工作中不会超过其散热能力。3、关联因素环境温度最大耗散功率通常是在特定的环境温度下定义的环境温度越低元件能够散发的功率越大。热阻热阻是指元件从结到外壳或环境的热传导能力热阻越低元件的散热效率越高。结温元件的最大结温决定了其最大耗散功率因为结温不能超过元件的设计极限。最大耗散功率的计算最大耗散功率通常可以通过以下公式估算其中Pmax最大耗散功率W。Tjmax最大允许结温°C通常在元件的手册中给出。Ta环境温度°C。Rθja从结到环境的热阻°C/W。示例假设某个芯片的最大结温为 150°C环境温度为 25°C结到环境的热阻 Rθja 为 50°C/W。那么最大耗散功率可以计算为这意味着在 25°C 环境温度下这个芯片最多可以安全地散发 2.5W 的功率。如果实际工作中的功耗超过 2.5W就需要改进散热设计或者降低芯片的工作频率和电压以减少功耗。
