4 熱因素 如前所述，有幾個因素會影響矽器件的熱行為。在規格書中，通常會標明熱阻抗Zθ（thermal impedance）和熱阻Rθ（thermal resistance）。由於熱阻抗（thermal impedance）描述的是快速瞬態的行為，因此會與熱阻（thermal resistance）做成歸一化的圖表。 熱阻抗的快速瞬態行為，通常被認為是瞬時的，在這種情況下，熱過程所涉及的結構只局限於器件的封裝。利用圖表給出的K 因子修正，可以估算出功率脈衝導致的結溫升高。如脈衝時間很長，功率脈衝足以影響器件的外部結構，這種情況，則必須考慮熱阻（thermal resistance）。  當MOS承受短時功率脈衝時，研究器件內部發生了什麼情況是非常有趣的。下面的晶片模型顯示TO220 封裝的MOSFET 結構。 圖6: MOSFET 晶圓模型 可以注意到，晶圓（Die）通過預製件（preform）連接到框架上的，再封裝在樹脂中。後續所有分析都將參考如下截面。 圖7：MOSFET結構剖面圖  由於環氧樹脂的導熱率很低，晶圓(die)產生的熱量會優先流向背面導熱性良好的銅。晶圓產生的功耗會改變器件溫度，從晶圓到封裝背板，依據各層的熱容和熱阻，溫度依次增加。可使用圖4 所示的熱模型描述。 圖4：矽結構熱模型
MOS內部結構的熱行為可通過前述的熱模型得出，而短時功率脈衝則有助於選擇合適的參數。 如果應用於MOSFET 的功率脈衝非常短（低於1 毫秒），則產生的功耗僅限於晶圓（Die）上，溝道（jason—應該指晶圓上的溝槽）溫度僅根據矽的比熱和導熱率開始上升。由於時間很短，只涉及晶圓（Die），預製件（preform）和框架的溫度基本保持不變。 圖8：Tpulse 低於1 毫秒時的截面圖
在這種條件下，必須使用Zth（熱阻抗）來評估功率脈衝導致晶片達到的溫度Tj。其值可通過規格書中的曲線獲得。 圖9：Tpulse 低於 1 毫秒時的熱阻抗 關於熱阻抗（thermal impedance）（外殼溫度設定為固定溫度），曲線的第一部分只與晶片尺寸和矽的物理特性有關。如果時間脈衝足夠長，使晶圓的熱容達到飽和，溝道的溫度就會根據矽的導熱率以及預製件的熱容和導熱率而升高。預製件層的溫度明顯升高。框架的溫度略有上升。 在繼續研究之前，必須強調的是，這種現象與晶片和封裝尺寸密切相關。因此，本應用說明中使用的"短功率脈衝"或"低於1 毫秒"的定義僅與本分析中使用的器件有關。 圖10：Tpulse 低於10 毫秒時的截面圖
圖11：Tpulse 低於10 毫秒時的熱阻抗
低於10ms情況下，所涉及的結構是晶圓和預製件（preform），其溫度根據熱參數升高。當功率脈衝非常長時，甚至預製坯料的熱容也會達到飽和：框架的溫度也會顯著上升。在這種情況下，通道溫度的升高與矽的導熱率、預製件的導熱率以及框架的熱容和導熱率有關。 圖12：Tpulse 低於1 秒時的橫截面  在前面的插圖中，大部分熱量用紅色箭頭表示，但顯然也有少量熱量流向其他方向。因此，紅色箭頭代表的是熱阻（thermal resistance）較小的首選方向。
圖13：Tpulse 低於1 秒時的熱阻抗截面圖
當框架的熱容也達到飽和時，就達到了熱平衡，總熱阻(thermal resistance) 取決於封裝的所有層。封裝的熱性能主要取決於晶圓（die）面積和MOS結構的各層厚度。其他參數，例如銅背面的延伸，對其有二階影響。因此，由於TO220 和TO247 具有相似的銅框架和預製坯料厚度，因此裝配在這兩種框架中的相同晶片的熱響應表現相似。 圖14：TO220 和TO247的熱阻比較
需要強調的是，圖14 中的Zth 並沒有並沒有區分Zthj-c 和Zthj-a。之所以如此近似，是因為如前所述，當強制使用短功率脈衝時，只涉及由晶圓（die）、Preform和lead frame形成的結構，因此Zthj-c 和Zthj-a用同一條曲線表示。 當熱應力涉及外部結構時，必須計算Rthj-c 或Rthj-a。Datasheet 中可找到數這兩個參數。參見圖15，等效熱電路由以下部分組成： 圖15：等效熱模型
Datasheet中標明的熱阻僅涉及封裝及晶圓間Rthj-c，而Rthj-a 僅指在沒有任何額外散熱器且 Tcase恆等於Tamb 時熱平衡條件下的熱阻。 Rthj-c 可視為封裝體通過 “理想的外殼-散熱器接口”安裝在無限大散熱器上時的熱阻 。 注意，這種情況只是一種理想狀態。在實際中，該操作可被等效為：
因此，總熱阻可以概括為：
當器件安裝在散熱器上時，由於真實接觸面的存在，會產生額外的熱阻。 接觸面熱阻可以通過在封裝和散熱片之間塗抹潤滑脂或插入隔離層（如雲母、陶瓷或矽）以及適當的壓力降至最低。作為參考，對於TO220/TO220FP 封裝，建議使用0.4 牛米的扭矩。 正如前文所強調，熱行為與整體Rthj-a 有關，因此，當元器件安裝在散熱片上時，其散熱特性至關重要。 散熱片的選擇涉及多個參數，主要如下：
圖16：散熱器熱模型
上述參數中，純粹的熱傳導受材料導熱係數的影響，在一定程度上也受形狀的影響，而其他參數則與熱傳遞方式密切相關。 |
