7 元件和元件仿真 74
7.1 散熱方式和熱阻74
7.2 封裝熱阻75
7.2.1 LSI 75
7.2.2 Infineon 76
7.3 分立封裝77
7.3.1 晶體管 77
7.4 封裝仿真FLOPACK79
7.4.1 初級(jí)精度：塊（Lumped）元件 79
7.4.2 中級(jí)仿真：雙熱阻模型 81
7.4.3 高級(jí)精度：DELPHI模型 81
7.4.4 General networks熱阻模型 83
7.4.5 詳細(xì)模型 85
7.5 LED仿真86
7.5.1 Osram 86
7.5.2 Avago 89
7 元件和元件仿真
Fairchild Semiconductors. Li, A., Brij,M., Sapp,S., Bencuya,I., Hong,L: „Maximum Power Enhancement Techniques for SOT-223 Power MOSFETs“ [SOT223_MOS_AN-1028.pdf]. (1996)
Fairchild Semiconductors. R. Locher: „Introduction to Power MOSFETs and their Applications” [Intro_MOS_AN-558.pdf]. (1998)
7.1 散熱方式和熱阻
硅芯片上的熱量分布與內(nèi)部幾何狀況和所用材料有關(guān)。
DIP封裝內(nèi)部主要散熱路徑(Infineon, 1999a)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)(Hitachi, 2001)
元件外形尺寸和線路位置是標(biāo)準(zhǔn)化的。不同生產(chǎn)廠商之間的元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料和線路技術(shù)是不相同的，所以它們的熱特性也存在差異。
元件的生產(chǎn)廠商不公開(kāi)元件內(nèi)部的詳細(xì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。通過(guò)一些其它的方法來(lái)計(jì)算芯片內(nèi)部的溫度。Datasheet中僅僅提供了少數(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)，諸如：熱阻J-C(Junction-case)和J-A（Junction-Ambient）。考慮到一個(gè)生產(chǎn)線的容許誤差，所以生產(chǎn)商提供的J-C和J-A在 內(nèi)波動(dòng)。
溫度對(duì)元件的性能影響很大，硅芯片的溫度（結(jié)溫） 可以通過(guò)元件表面溫度 以及下式來(lái)確定（實(shí)際的情況可能更復(fù)雜）：
P為元件總的熱功耗，不考慮熱量的旁逸。
建議：如果散熱路徑是單一的散熱器或者板子，則可以使用 或 。
有時(shí)還會(huì)給出熱阻 （Junction-Ambient），這是結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的熱阻。如果我們進(jìn)行一個(gè)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)，可以很容易發(fā)現(xiàn)對(duì)于相同材料的元件其 不一定相等。當(dāng)元件處于銅板比處于FR4或其它材料上時(shí)，可以得到更低的溫度和不同的熱阻。元件周圍的情況對(duì)元件的溫度有著很大的影響。但我們很少的元件周邊情況的詳細(xì)描述。
7.2 封裝熱阻
缺7.2.1 2R for IBM Power PC
7.2.1 LSI
不存在一個(gè)固定的封裝熱阻值，一般元件的幾何表面越大，其結(jié)溫越低。
7.2.2 Infineon
Infineon對(duì)半導(dǎo)體封裝進(jìn)行了系統(tǒng)的整理。詳細(xì)的研究了封裝熱阻和標(biāo)準(zhǔn)化封裝，但其中不包括BGA’s封裝。
7.3 分立封裝
7.3.1 晶體管
下圖是Fairchild半導(dǎo)體器件
7.4 封裝仿真FLOPACK
7.4.1 初級(jí)精度：塊（Lumped）元件
最為簡(jiǎn)單的元件建模是采用一個(gè)具有材料特性和內(nèi)部熱量均勻分布的塊（Cuboid）。這就是PCB簡(jiǎn)化模型中的獨(dú)立實(shí)體元件（discrete solid component）。對(duì)于塑料元件的熱導(dǎo)率為 ，陶瓷元件的熱導(dǎo)率為 。不需要定義θJC 和θJB 。
來(lái)源：Schrammek, M.: „Warmeabfuhr in elektronischen Geräten bei Luftkühlung und freier Konvektion“. Fortschr.-Ber. VDI Reihe 9 Nr. 73. VDI Verlag, Düsseldorf (1987)
Schrammek采用溫度測(cè)量?jī)x對(duì)很多種PCB板子進(jìn)行了測(cè)量。仿真中使用的是標(biāo)準(zhǔn)的歐洲板子（100*160mm ，F(xiàn)R4，5x6 DIL 元件）和垂直自然對(duì)流。下d圖顯示仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)很好的吻合。
7.4.2 中級(jí)仿真：雙熱阻模型
這類PCB板子上的元件內(nèi)部有一個(gè)虛擬的芯片結(jié)。結(jié)與上下表面的熱阻分別為： θJB和θJC 。元件的熱導(dǎo)率可以設(shè)為K=1000W/mK 對(duì)于瞬態(tài)分析要設(shè)置密度和比熱，其比熱大約為1000J/kgK 。
由Flopack PQFP的雙熱阻模型計(jì)算數(shù)據(jù)
測(cè)試結(jié)果表明在相同的環(huán)境條件下（板子、自然對(duì)流）雙熱阻模型與詳細(xì)模型的偏差大約在30% 。雙熱阻模型太過(guò)于簡(jiǎn)單，所以不能適用于所有的場(chǎng)合。實(shí)際上 θJB或 θJC不是基于到板子或外殼的熱流，而是基于總熱流。
PQFP-208的結(jié)溫（℃）在不同模型和條件下的比較(Shidore and Sahrapour, 2001)。
7.4.3 高級(jí)精度：DELPHI模型
為了減小雙熱阻模型的誤差，并且避免熱阻受到環(huán)境條件的影響。自從1990起，F(xiàn)lotherm依據(jù)JEDEC的標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建了一種更為精確的熱阻，稱之為DELPHI熱阻?，F(xiàn)在這個(gè)熱阻已經(jīng)由JEDEC-51進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。可以在Data Sheet中找到相應(yīng)的熱阻數(shù)據(jù)。同時(shí)也可以通過(guò)FLOPACK DELPHI網(wǎng)絡(luò)程序生成。在不同條件下的熱阻模型由數(shù)字來(lái)描述
7.4.4 General networks熱阻模型
這些新的熱方面參數(shù)可以使設(shè)計(jì)人員對(duì)光耦合器和SSR裝置更好的進(jìn)行仿真。Vishay對(duì)其使用Flotherm的客戶提供了一些簡(jiǎn)化的模型和Flotherm模型。
7.4.5 詳細(xì)模型
可以通過(guò)登陸到FLOPACK獲取詳細(xì)的模型。目前有26種模型類型，并且都具有默認(rèn)的值。每一個(gè)詳細(xì)模型都有10～50個(gè)不同材料的物體構(gòu)成。因此在仿真過(guò)程中會(huì)增加一些網(wǎng)格，同時(shí)計(jì)算的時(shí)間會(huì)稍微多一點(diǎn)。
當(dāng)前有以下各類封裝模型。
7.5 LED仿真
LED（發(fā)光二極管）朝著板子有單向性的熱流通路。使用Data Sheet數(shù)據(jù)， 或節(jié)點(diǎn)到焊料墊的熱阻θJS 必須給出。
7.5.1 Osram
LED模型必須包括一塊PCB板和一個(gè)焊料墊（用于散熱）。LED本身是一個(gè)元件。
7.5.2 Avago
Flotherm資料下載: 使用Flotherm進(jìn)行電子散熱仿真過(guò)程中涉及的物理學(xué)原理.pdf
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