元器件数据手册上的温度参数

一般而言，在进行消费类电子产品的设计过程中，我们所遇到的芯片数据手册上与温度和热设计相关的参数主要是芯片工作的环境温度  和结温  。

其中的  (Ambient Temperature, 环境温度) 是指芯片（或设备）在正常上电工作的过程中，紧贴着其外壳周边的空气温度。需要注意的是，产品PRD上定义的设备环境工作温度与芯片数据手册里的环境温度完全不是一回事。

实际上一般而言，产品规格书中所定义的环境工作温度，是产品外壳外面的空气环境温度。而当我们把发热的 SoC、电源和 Sensor 塞进一个密闭的塑料外壳以后，由于电路板上所有元器件工作过程中发热所带来的温升效应，紧贴着芯片周边的机壳内部环境温度很有可能比机壳外部的空气温度高十几度甚至更高。

下图演示了设备外部环境温度与设备内部环境温度之间的巨大差异，而对于芯片本身来讲，它更关注的自然是芯片内部的环境温度：

而  (Junction Temperature, 结温) 是指在半导体芯片内部，真正的硅晶圆（Die）上产生热量的 PN 结（晶体管，结温实际上就是PN结的温度）的物理工作温度。结温  是电子产品中一切热设计的根本标准，芯片是否能稳定工作、寿命长短、是否会烧毁，全部由  决定。只要  没有超标，外部环境怎么恶劣都没关系。当然，因为 PN 结是在芯片内部，所以芯片内部的结温我们测试无法测试到的。

除了以上的环境温度  和结温  以外，数据手册上所包含的温度相关的参数还有：

• •  (Case Temperature, 外壳/表面温度)：芯片封装外壳正中心表面的温度。部分芯片的数据手册中会明确给出芯片封装的最高外壳温度（）这个参数，这样可以简化热设计，我们就可以不必去反推结温了，只要保证芯片封装外壳中心表面的温度低于这个参数即可。但绝大多数芯片的数据手册，都不会提供这个  ，只会给出一个结温的最高限制。

• • 存储温度：芯片在不通电的状态下，可以安全长期存放的温度范围。这个温度范围通常非常宽，消费级芯片一般为 -65°C 到 +150°C。这个参数主要是给供应链和物流环节看的。芯片以及产品的物流运输过程中，只要不超过存储温度的上限，芯片的封装材料就不会发生不可逆的物理膨胀破裂，其内部的键合线就不会断。

• • 焊接/回流焊温度：芯片在 SMT（表面贴装）等工艺中，过回流焊炉时能够承受的极限峰值温度和时间。典型参数通常是 260°C，持续 10 秒（符合无铅 RoHS 标准）。这个参数主要是给工厂 PE 看的，生产焊接过程中的回流焊炉温曲线应按照这个参数进行设置。

• 几个容易混淆的热阻参数

• 除了以上的通用温度参数以外，大部分对热设计敏感的芯片数据手册中，往往还会提供以下几个热设计相关的热阻参数，以方便开发人员在设计和测试过程中准确的计算功耗与热相关的数据。

   (Junction-to-ambient thermal resistance / 结到环境热阻)：该参数对应于热量从晶圆PN结区产生，穿透封装、PCB，最后散发到周围空气中的总热阻。看起来使用这个参数可以方便的从芯片表面温度计算出来结温，但是这个数值是原厂在一块面积巨大、没有外壳遮挡的 JEDEC 标准测试板上，放在一个体积为 1 立方米的密闭无风静压箱里测出来的。而我们的产品一般内部空间狭小且有其他热源相互叠加，热环境完全不同。因此如果在工程计算中直接套用这个值，算出来的结温会有非常大的偏差。

   (Junction-to-case (top) thermal resistance / 结到顶部外壳热阻)：该参数纯粹描述了热量从结区垂直向上穿透封装盖板到达最顶层表面的物理阻力。它的计算公式是

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• 这里的  是仅向芯片内部通过顶部封装散发出去的热量。问题是我们只能准确的计算出来整个芯片的功耗，至于整体的功耗有多少比例是向上散热的没办法预估，所以这个参数在实际的运算中并不实用。

   和  (结到板热阻 / 结到晶圆底部热阻)： 该参数与  相对，描述的是热量向下穿透硅基底传导到 PCB 或封装底部的物理阻力。同样的问题是，我们也没法准确的预估芯片的功耗有多大比例是向下去散热的。

   (Junction-to-top characterization parameter / 结到顶部热特性参数)：这个参数表示在标准的自然对流的测试环境中，结温与表面中心温度之差，与芯片总输入功耗的比值，其计算公式为

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• 与  相比， 是指整个芯片的完整功耗，可以通过示波器或者万用表测试得非常精确，所以使用  参数与芯片表面中心点的实测温度来计算结温，能够更准确的反映出来芯片内部的实际结温。

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