结温,junction temperature,半导体结温-KIA MOS管
结温(Junction Temperature)是电子设备中半导体(晶圆、裸片)的实际工作温度。它通常较封装外壳温度(Case Temperature)高。温度差等于其间热的功率乘以热阻。
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。
最高结温(Maximum junction temperature),器件结温越低越好。
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。
如果器件结温超过最高工作温度,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结温或是让结温产生的热量尽快散发至环境中。
首先必须保证芯片的结温在其可以承受的范围之内。工业级产品一般规定范围是-20~85℃,军品或者汽车级能达到-40~125℃。
半导体结温分析
结温产生机制
结温主要产生在PN结区域。从PN结制造工艺上,核心原理是根据杂质补偿,通过掺杂获得,如下图, P-type 掺杂和 N-type 掺杂接触后,中间形成一个耗尽区(或者称为空间电荷区,如下图右上);两个的交接线周围形成一个PN结(如下图左上)。
PN结 结构图
PN结电子空穴复合发热
首先,电子空穴的复合也是一个发热是结温的主要热源;复合遵循能量守恒原则,电子和空穴复合时应释放一定的能量,最后在内部都转换为热能。
复合频率越高产生热越高,随之会加速载流子速率μ,电场E相对不变,复合率和结温形成闭合正反馈,导致结温持续升高。
其次,PN结的工艺也不可能极端完美,电子/空穴的的注入效率达不到100%, 即在工作时除P区向N区注入电荷(Hole)外,N区也会向P区注入电荷(Electron);同样也会导致结温升高。
最后,器件两端的阴极Cathode,阴极Athode 2个的欧姆接触(ohmic contact)会产生热量,两端形成热屏障,阻碍内部的热量更难及时通过热传导方式消散,同样会导致内部结温升高。
如果希望保证器件工作正常,务必保证芯片结温在可承受范围内。
器件温度散热图
结温公式
结温为:热阻×输入功率+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 ) (数据手册一般会提供)
PD = 封装的功耗即功率 (W) 芯片功耗 = Pin-Pout
关于PD,例如如果输入电流为12V,采用78M05进行稳压,稳压到5V,最大输出电流为0.3A ,则78M05消耗的(最大)功耗为P=(12V-5V)x 0.3A=2.1W
推荐以Tj 的最高容许温度的80%为基准来进行热量设计。
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;
结温对半导体的影响:
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