這份文件主要是針對具有裸露焊盤封裝的功率電子設備的快速 PCB 熱計算方法。因篇幅較長 我們會分為兩個部分說明。
以下是文件的主要內容摘要：
Agenda:
第一部分：
1. 引言
2. 器件與電路板的熱阻模型
3. 簡化熱阻模型
4. 計算電路板至環境的熱阻 (θBA)
5. 圓形鰭片公式計算熱阻
第二部分：
6. 電路板的三環區域模型
7. 區域轉換與等效尺寸
8. 各區域的熱阻計算
9. 結論
10. NCP81295/6 和 NCP3231 EVB提供了具體的計算示例
6. 電路板的三環區域模型：
根據上述軸對稱環形電路板模型，整個電路板可根據特性分為三個環形區域（如圖 7 所示）：
1. **晶片區域（Chip Region）**
2. **外層平面區域（Outer Plane Region）**
3. **有效電路板尺寸區域（Effective Board Size Region）**
7. 區域轉換與等效尺寸：
由於實際電路板通常為矩形，因此需將其轉換為等效的圓形尺寸，確保總面積相同。例如：
**有效電路板尺寸**：
其中 **A** 為所有直接連接至電源 IC 的銅層面積（透過熱導通孔連接）。
**外層銅平面尺寸**：
其中 **A** 為上下表面銅層的總面積。
**晶片區域尺寸**：
其中 **A_chip** 為電源 IC 晶片的面積。
8. 各區域的熱阻計算：
每個環形區域的對流與輻射熱阻可根據圓形鰭片公式（Eq. 3）計算，進而得到三個區域的熱阻值（如圖 6 所示）：
1. **晶片區域的熱阻**：
2. **外層平面區域的熱阻**：
3. **有效電路板尺寸區域**:
9. 結論：
透過軸對稱模型與分區計算方法，我們能有效分析電路板的熱阻特性，並根據具體設計條件進行優化。這種方法不僅適用於常見的矩形電路板，也能靈活應用於其他形狀的電路板設計，為熱管理提供了可靠的理論基礎。
電路板至環境的總熱阻是由上述三種熱阻的組合構成，這些熱阻被視為從電路板節點到環境的平行電阻網路（參見圖6），即：
以一個8層（每層1盎司銅箔）的PCB，搭配5 × 5 Q/DFN元件並暴露於自然對流環境為例，其計算出的熱阻與有效電路板尺寸的關係如圖8所示。在此圖中，外層銅箔的尺寸已經以晶片尺寸進行標準化，定義為標準化外層銅箔尺寸因子：
**F = 外層銅箔尺寸 / 晶片尺寸**
圖8.a展示了根據QFN5X5晶片PCB（NCP81295評估板）特性因子生成的曲線圖。
圖9則顯示了影響熱性能的不同因素，例如銅箔的厚度、尺寸、層數，熱通孔的數量
**圖9. 搭載D/QFN5X5晶片的8層PCB熱阻（自然對流環境）**
與尺寸，以及銅箔平面的大小。使用者可以根據其電路板的特性與有效尺寸，參考最接近的曲線來估算其值，特別是在專案中使用5 × 5 Q/DFN元件時。
最後，根據公式10結合封裝與電路板的貢獻，可以計算出整個系統的總熱阻。當功率耗散已知時，使用者即可估算晶片的溫升。
10. NCP81295/6 和 NCP3231 EVB提供了具體的計算示例：
### 計算範例1：NCP81295/6 評估板（EVB）
NCP81295/6是50 A的電子可重置直通式保險絲，適用於伺服器高電流12 V熱插拔應用。NCP81295/6內建極低的0.65 mΩ整合式MOSFET，可縮小解決方案尺寸並減少功率損耗。
此外，該元件還整合了一個高精度電流感測器，用於監控與過載保護。其評估板（參見圖10）僅有部分銅箔平面，透過熱通孔直接連接至裸露的散熱焊墊。
### 電路板資訊與測試條件
#### NCP81295 EVB 電路板資訊：
- **電路板尺寸**：100 × 100 mm
- **電路板厚度**：1.6 mm
- **層數**：8層 PCB（每層均為 1 OZ 銅）
- **主要元件**：NCP81295（QFN5X5 封裝）
測試條件為在 25°C 環境下，穩定負載電流 50 A。測試結果顯示功率損耗約為 1.65 W。透過熱成像儀測得的 NCP81295 上蓋溫度為 67.1°C，溫升約為 42.1°C（見圖 11）。
**圖 11. NCP81295/6 EVB 的熱成像圖**
#### 電路板特性與熱性能分析：
經佈局評估後，NCP81295/6 EVB 的有效尺寸為 60 mm，外層銅箔面積約為晶片面積的 3 倍（標準化外層銅箔面積因子為 3）。根據圖 8.a 的條件，NCP81295/6 EVB 的熱阻數據可從圖 8.a 中獲得。
**圖 12. NCP81295/6 EVB 的熱阻曲線**
- **熱阻數據**：
- θBA = 21.6°C/W（公式 12）
- θJC = 1.5°C/W（來自元件規格書）
- θJA = θJC + θBA = 23.1°C/W（公式 13）
根據上述數據計算，NCP81295 的結溫（假設與上蓋溫度相同）如下：
- TC = TA + (P × θJA) = 25 + (1.65 × 23.1) = 63.1°C（公式 14）
- ΔTJA = P × θJA = 1.65 × 23.1 = 38.1°C（公式 15）
計算結果與測試結果相符，僅有約 4°C 的差異。這可能是由於兩個大電流分流電阻的功率損耗，額外加熱了電路板，導致溫度略高於預期。由於系統接近線性，這些效應可以疊加考量。
---
### 計算範例2：NCP3231 評估板（EVB）電路板資訊與測試條件
#### NCP3231 EVB 電路板資訊：
- **電路板尺寸**：75 × 73 mm
- **電路板厚度**：1.6 mm
- **層數**：6層 PCB（每層均為 2 OZ 銅）
- **主要元件**：NCP3231（QFN6X6 封裝）
NCP3231 是一款高電流、高效率的同步降壓轉換器，工作電壓範圍為 4.5 V 至 18 V，輸出電壓最低可達 0.6 V，支援高達 25 A 的直流負載或 30 A 的瞬時負載。測試條件為在 20°C 環境下，將 9 V 轉換為 1 V，頻率為 1 MHz，穩定負載電流為 15 A。測試結果顯示功率損耗約為 2.52 W，NCP3231 上蓋溫度為 54°C，溫升約為 34°C（見圖 14）。
**圖 13. NCP3231 EVB 電路板**
**圖 14. NCP3231 EVB 的熱成像圖**
#### 電路板特性與熱性能分析：
經佈局評估後，NCP3231 EVB 的有效尺寸為 83.5 mm，外層銅箔面積約為晶片面積的 3.5 倍（標準化外層銅箔面積因子為 3.5）。根據圖 15 的條件，NCP3231 EVB 的熱阻數據如下：
**圖 15. NCP3231 EVB 的熱阻曲線**
- **熱阻數據**：
- θBA = 12.8°C/W（公式 16）
- θJC = 1.0°C/W（來自元件規格書）
- θJA = θJC + θBA = 13.8°C/W（公式 17）
根據上述數據計算，NCP3231 的結溫如下：
- TC = TA + (P × θJA) = 20 + (2.52 × 13.8) = 54.8°C（公式 18）
- ΔTJA = P × θJA = 2.52 × 13.8 = 34.8°C（公式 19）
計算結果與測試結果相符。
### 進一步討論
根據 NCP3231 EVB 的熱性能分析，TC 與 TJ 的差異僅約為 ΔTJA 的 1.7%，即：
- ΔTJC = 1.7% × ΔTJA = 0.6°C（公式 20）
在某些情況下，我們可以根據封裝上蓋溫度來估算晶片的結溫。此時可採用 JESD 51-2 標準中定義的熱特性參數 ψJT（結溫至封裝上蓋溫度的熱阻），以描述總功率損耗與溫差的關係。這種方法適用於難以直接測量熱流的情況，特別是在微小的半導體元件中。
參照onsemi AND9596 應用技術文檔編輯而成
https://www.onsemi.com/download/application-notes/pdf/and9596-d.pdf
參考來源