电子产品的工作温度以及芯片热阻结温等的计算过程总结
本文针对电子产品中常见的热设计方面的问题，对元器件数据手册中提供的温度、热阻等参数以及利用这些参数进行内部结温的计算流程进行了详细整理，为后续进行电子产品硬件系统设计、芯片选型以及热设计参数的测试和估算提供理论基础。
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：
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：
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。
(Junction-to-board characterization parameter / 结到板热特性参数)：与 的概念相对应，是指结温与距离芯片边缘 1mm 处 PCB 覆铜温度之差，与芯片总功耗的比值。利用这个参数可以通过测量芯片底部边缘覆铜（在某些情况下，例如对sensor模块）的温度来计算芯片内部的结温。
所以总的来讲，带有 符号的几个参数（如 、 ），在实际进行结温的计算时都不是很实用。主要是因为芯片运行过程中所产生的总热量（总功耗 ）是兵分多路的：一部分热量向下通过引脚和焊球传导到了 PCB 覆铜上（ ），其他的热量向上穿透塑封体散发到空气或外壳中（ ）。问题是我们根本无法准确地测量出到底有多少比例的功耗是往上走的。因此，即便原厂给出了精准的 ，我们也无法准确算出真正地结温 。
理想情况下的温度计算理论与流程
那么在工程实践中，我们如何通过测试和计算的手段，验证当前的设计是否能够符合项目和产品的温度要求？
如上所述，芯片内部的结温 是评估产品热设计的根本标准，只要通过测试和计算出来的结温符合芯片数据手册中的结温要求，那么这个产品从设计的角度上就是合格的。
而对芯片内部结温的计算和评估，大致有以下三种情况。
第一种情况，芯片的数据手册中给出了芯片封装外壳正中心表面的温度参数 。因为绝大多数芯片内部的裸片（Die）都是居中贴装的，发热核心就在芯片封装的正下方。热量呈倒漏斗状向上传导，所以封装表面的正中心，就是整个可接触外壳上温度最高的热点。
在这种情况，我们就不需要使用复杂的热特性参数（ ）或去反推结温（ ）了，可以直接用热电偶测出芯片表面的中心温度，然后拿测试值跟芯片数据手册中所定义阈值进行简单的比对即可。
因此，在芯片数据手册中提供了 参数的情况下，这就是硬件和结构工程师在实际工作中最喜欢、也最高效的判定方式。但行业现实是：绝大多数消费级或安防级的 SOC和 Image Sensor，其数据手册里大概率是不会给出 的，只给 或 。
第二种情况，很多复杂的大型芯片在设计之初，为了实现自我保护，会在 Die 的发热核心区域（比如 CPU/NPU cluster 旁边）直接刻蚀一个热敏二极管用于测量其内部的结温。
例如，对于部分主控 SoC ，其内部通常自带 TSADC（温度传感器），因此可以直接通过软件读取寄存器或 Linux 下的 sysfs 节点（如 /sys/class/thermal/thermal_zone*/temp）来实时其获取核心的结温。通过这种方式读取到的结温也是最准确的。
这种方法虽然最准，但在大部分面向消费类电子的低成本芯片上往往行不通。因为绝大多数消费级芯片的内部是不带温度传感器的。
在前两种情况都无法实现的情况下，通过热电偶来测试芯片外部表面的温度，然后通过热阻（Thermal Resistance）参数来反算内部结温的方式，这成为硬件和热设计工程师最标准的做法和流程。
该流程最关键的计算公式为：
其中：
• (Junction Temperature)： 我们要计算的目标结温。 • (Case Temperature)： 芯片封装正上方表面的中心温度。 • (Power): 芯片当前的实际运行功耗（单位：瓦特）。 • (Psi-JT, Junction-to-Top Characterization Parameter): 结到封装顶部的热特性参数（单位：°C/W）。
以上方法的实验室操作步骤如下：
1. 首先测试 （即芯片表面正中心温度）： 推荐使用 K型热电偶（建议 36 AWG 或更细），配合高导热胶，将热电偶牢牢粘在芯片封装表面的正中心位置。然后将整机放入高低温箱，设定产品PRD定义的最高环境温度烤机，待温度曲线平稳后，通过数据记录仪读出 。 2. 测试该芯片对应的动态功耗 ：在高温环境下，半导体的漏电流会变大，功耗会上升，因此不能直接用 Datasheet 里的标称功耗。此时需要用示波器或高精度万用表，实测 Sensor 各路电源（AVDD, DOVDD, DVDD）在高温满载工作下的实际电流和电压，计算出真实总功耗 。 3. 按照上面的公式推算出 ： 将测得的 、实际功耗 和原厂给定的 代入公式，即可准确得出当前环境下的内部结温。
下面以TI的3D ToF Sensor OTP8241为例对以上计算流程进行说明，该传感器的 参数为6.3度/W：
假设在 70°C 的高低温箱里进行极限烤机，用热电偶测得这颗 Sensor 封装正中心表面的温度 达到了 **85 °C，**用示波器实测它在当前帧率下所有供电轨的总功耗 是 1.2 W。那么它内部真正在经受考验的真实结温就是：
以上就是在理想情况下，对于芯片内部的结温进行相对比较准确的测试、估算以及最终评估产品热设计稳定性和合理性的计算流程。
但是在现实的产品设计中，很多消费级或安防级低成本低价格 SOC 和 Image Sensor，原厂在研发定型时往往只会做基础的高低温工作范围测试（比如标定极限工作结温 在 -30°C ~ 85°C），并不会严格按照 JEDEC 标准去出具完整的三维热阻矩阵（ , , ）。
所以，在这类低成本消费类芯片的数据手册中，根本就找不到 这个参数，所以也就没法按照上面的流程和公式精确的计算其内部结温了。这种情况下，我们就只能采用估算的方式大致评估设计是否合理和满足要求。
现实设计过程中的估算
如上所述，如果芯片的数据手册没有提供出来准确的 参数，我们实际上是没有办法精确地计算出来结温。这种情况下就只能通过一些经验值的估算来大致评估整个产品热设计的合理性和风险系数。
在实际产品的工程设计中，最常用的办法就是使用我们能够测试到的芯片表面温度 来大致的估算与其对应的结温 。如何通过 来相对比较准确的估算出来 ，与芯片所采用的封装形式密切相关。
FCBGA/Bare Die： 这类封装主要为大算力、高发热而生，硅片在封装中被倒扣在基板上（Flip-Chip），因此其发热核心直接顶着最上方的金属散热封装盖板（Lid）或者干脆裸 露出来。这种情况下，芯片内部 PN 结的热量的散发形式是绝对的向上散热。这种情况下 经验值为 0.1 ~ 1.0 °C/W，这意味着芯片内部的结温 几乎等于表面温度 。
QFN / DFN / ePAD-SOIC：这类封装在芯片底部有一片金属裸铜，直接焊在 PCB 的地线上，多见于电源管理芯片（PMIC）、电机驱动、大功率音频功放（Audio Amplifier）。因此其散热方向是绝对的向下散热。但因为这种封装的顶部塑封材料通常打得很薄，硅片距离顶部的物理距离极短，所以它向上的 依然很小。 的经验值为 0.5 ~ 4.0 °C/W。
QFP / LQFP / TQFP：这类封装四边有鸥翼型引脚，黑色的塑封体比较宽大且有一定的厚度。大多数常规的 MCU（单片机）、接口控制芯片（如 USB/以太网 PHY）通常采用这种封装。散热方向四通八达，一部分通过引脚往下走，一部分通过塑料外壳往上散。 经验值一般在 2.0 ~ 8.0 °C/W 之间。
SOIC / TSSOP：这种封装两侧有引脚，封装体积相对于内部那颗极其微小的 Die 来说显得比较厚重，多见于常规的逻辑门电路、运放、音频 ADC/DAC 或基础的小电流模拟芯片。其散热方向主要是通过引脚传导热量。因此，对于这类封装而言，塑料外壳本身的超高热阻成为了阻碍，导致表面的温度 会比内部的 低非常多， 经验值一般在 5.0 ~ 15.0 °C/W。但好在这类芯片通常功耗极低（毫瓦级），基本不会面临严苛的散热危机。
参考资料
• Thermal Resistance Data: Definitions of Thermal Resistance, Thermal Characterization Parameters | About Thermal Design | TechWeb
