所有二極管和晶體管都具有因開關和傳導而導致的功率損耗。開關損耗發生在結的導通和關斷狀態之間的間隔期間，此時器件端子上既有電壓又有電流流過。傳導損耗是由器件的內阻引起的，無論它有多低，當電流流動時都會導致功率損耗。即使在關斷狀態，晶體管洩漏電流導致的損耗在微處理器等設備中也可能很大，這些設備必須使用小型幾何工藝才能將數百萬個晶體管封裝到單個集成電路中。
無論是什麼原因，半導體器件中的損耗都會產生熱量，如果要將結溫保持在可接受的範圍內以保證器件正常運行，就必須將這些熱量散發出去。半導體器件的封裝進一步使散熱方式複雜化，因此了解所涉及的各種工藝以及器件數據表中提供熱信息的方式非常重要。
本文將著眼於通常散熱的機制，旨在了解這些機制以何種方式應用於半導體設備，進而了解半導體製造商如何指定其產品的熱性能。使用數據表中提供的熱信息可能引起的不准確性將與確定器件關鍵結溫的替代方法一起突出顯示。
散熱機制
電子設備的散熱有三種基本機制：傳導、對流和輻射。對於封裝的半導體器件，大部分熱量將通過傳導傳遞：從器件核心處的熱源通過半導體襯底、芯片所連接的引線框架，並通過封裝器件的模製材料傳遞到其外表面。在這一點上，熱量可以通過與設備接觸的任何固體材料的傳導而進一步傳遞，例如。印刷電路板或外部散熱器。
對流定義為通過流體傳遞熱量，流體可以是液體或氣體，如在周圍空氣中。這種機制在很大程度上解釋了向周圍周圍環境散發的剩餘熱量。輻射傳熱很少是電子產品傳熱的重要機制，計算起來很複雜，因為它不僅取決於溫差，還取決於物體之間的距離以及表面的顏色和紋理等因素。
雖然目標是從源到環境的有效熱傳遞，但更常見的是通過考慮熱流的倒數來確定散熱，即這些點之間的熱阻。通常，該數字將由端點和一個或多個中間點之間的熱阻組成，具體取決於傳熱機制和所涉及的材料。
半導體製造商提供封裝器件的熱阻值作為設計輔助工具，以幫助確定其功率處理能力。通常以結到環境熱阻的形式給出，該數字旨在計算可以在設備內部安全耗散的功率量，而不會將其接面溫度 (Tj) 升高到其規定的最大值以上。例如，對於在 25°C 的環境溫度 (Ta) 下工作的器件，其結到環境熱阻 Rth (JA) 為 150°C /W，指定的最大接面溫度 Tj 為150°C 時，最大功率 (Pmax) 可使用以下公式計算：
Pmax = (Tj (max) – Ta)/Rth (JA) = (150-25)/150 = 0.83W
注意：這假設器件安裝在與數據表中定義的 Rth(JA) 相同的條件下。
與此公式相反，Tj 可以通過了解器件內部耗散的功率以及 Rth (JA) 和 Ta 值來計算。
有時製造商會提供替代或額外的熱阻值，它們可以以類似的方式用於計算工作結溫。這些可能包括結到外殼（封裝頂部）值、Rth (JC) 和結到引線值（結到引線框架的焊接點）、Rth(JL)——見圖 1。
嘗試測量特定熱流路徑（如結到外殼或結到引線）的熱阻很複雜，因為在半導體結處耗散的功率通過許多平行的熱流路徑離開封裝。每一個都具有特定的熱阻，其值取決於該路徑的尺寸和熱導率。因此，有意義的熱阻值取決於 1) 測量結點和外殼（或引線）溫度的準確程度，以及 2) 確定在結點和測量值之間流動的半導體結處產生的總熱量的比例點（即外殼的頂部或引線）。
實際上，即使使用非接觸式紅外儀器，也很難在所需的測量點獲得準確的溫度。相反，可以使用以下 JEDEC (JESD51-12) 標準方法之一來確定 Rth (JC) 或 Rth (JL) 的熱阻值。
方法一：Rth(JX_Ө)
此方法旨在確定結點與特定關注點“X”之間的熱流路徑的熱阻，該點可能是封裝頂部、焊接點等。方法 1 假設所有功率耗散在“X”點處使用有效的散熱裝置迫使結點處的熱量通過感興趣的點。然後通過精確測量該點 (Tx) 的溫度，真實熱阻可以計算為：
Rth(JX_Ө) = (Tj –Tx) / P
其中 P 是從結點流向“X”點的耗散功率（熱量）。理想情況下，在此測量期間，接近 100% 的功率應從結點流向“X”點。該數字僅取決於熱流路徑的物理特性，與耗散的功率量或安裝設備的電路板尺寸無關。
Diodes Incorporated 在其數據表中提供的結到引線熱阻值是使用方法 1 測量的。該值與電路板尺寸無關，因此有助於比較各種封裝的引線框架的熱性能。
方法二：Rth(JX_ᴪ)
該方法提供了一個熱特性參數，不應與熱阻混淆。它是使用類似於方法 1 中使用的公式計算的：
Rth(JX_ᴪ) = (Tj –Tx) / P
使用這種方法，由於沒有使用額外的散熱裝置將大部分產生的熱量轉移到感興趣的路徑中，因此在計算中使用總耗散功率值，而不是在結點和“X”點之間流動的部分。這導致 Rth(JX_ᴪ) 的絕對值較低。
Diodes Incorporated 在其數據表中提供的結殼熱阻值是使用方法 2 測量的，這就是為什麼在本文中，Rth(JC) 將更準確地稱為 ᴪth(JC)。
確定接面溫度 (Tj)：
使用 Rth(JA)、Rth(JL) 或 ᴪth(JC) 準確確定器件的接面溫度 (Tj) 取決於能否在理想的數據表條件下測量環境、引線或外殼溫度。在現實中，一個設備通常會安裝在擠滿其他設備和組件的電路板上；此外，連接到引線框架接線片的銅量可能與數據表的條件不匹配，從而限制了這些參數的有用性，如下所述：
圖 1 至圖 3 是在 PowerDI 封裝上測量的（如圖 1 所示），分別顯示了在以下不同散熱器條件下結溫與 ᴪth(JC)、Rth(JL) 和 Rth(JA) 之間的關係： 1) 2 英寸 * 2 英寸鋁板和 2) 最小推薦焊盤 (MRP) 佈局。
Rth(JA)…如圖3 所示，Rth(JA) 隨結溫的變化很小，但不同散熱器的影響更為顯著。因此，在使用數據表 Rth(JA) 值時，必須注意確保實際應用中的器件安裝條件接近數據表中規定的條件。在使用 Rth(JA) 估算結溫時，散熱器佈置（連接到器件引線框接頭的散熱器的體積和傳導率）的差異會導致顯著誤差。
Rth(JL) ... 該值是根據 JEDEC (JESD51-12) 方法 1 測量的，並且只能用於 1) 如果其他路徑中的熱流不重要，並且 2) 準確測量引線溫度。為了使用這種方法測量數據表中的 Rth(JL) 值，有必要在引線框接線片上安裝一個巨大的散熱器，以確保來自結的大部分熱量從引線框接線片流出到散熱器中。在實踐中，這種情況很少發生，因為會有其他平行的熱流路徑會降低 Rth(JL) 的準確性。圖表 2 顯示了當使用實用尺寸的散熱器時 Rth(JL) 對散熱器的依賴性。因此，數據表中的 Rth(JL) 值實際上只能提供不同製造商封裝引線框架的導熱能力的比較。在實際應用中計算結溫時，Rth(JL) 不太可能提供準確的答案，而且通常會給出與最大散熱相關的“最佳情況”結果。
ᴪth(JC) … 該值是根據 JEDEC (JESD51-12) 方法 2 測量的，並使用 1) 結點與外殼上測量點（通常是封裝的中心）之間的溫差和 2)設備中耗散的總功率，但不包括在結點和外殼上的測量點之間流動的功率。出於這個原因，該值不應被視為真正的熱阻，而應視為熱參數，因此應僅用於不同封裝之間的比較。圖 1 顯示該值不僅取決於散熱器的尺寸，還取決於工作結溫。由於器件周圍空氣的對流，該值隨著結溫升高而降低。即使在靜止空氣條件下進行測量，設備的熱表面仍會導致空氣循環，從而產生對流效應。與 Rth(JA) 和 Rth(JL) 相比，ᴪth(JC) 通常是較小的值，對流效應導致其值的比例變化更大，使其看起來更顯著。因此，在嘗試確定實際應用中的結溫時，不應無條件地使用該值。然而，ᴪth(JC) 的較低絕對值確實意味著計算結溫時的誤差也會很低。
圖 4 提出了一種替代方法，可用作在實際應用場景中更準確地確定設備結溫的工具。這種方法從方程中消除了不同散熱器的影響。但是，在測量外殼溫度時必須小心，因此 1) 建議使用非接觸式熱測量儀器，並且 2) 外殼上的測量點應盡可能靠近其表面的中心。
結論
上述結果表明，使用製造商數據表中常見的各種熱阻參數（結到外殼、引線或環境）來確定半導體器件的結溫在很大程度上取決於散熱器的佈置。相反，圖 4 顯示了結溫與外殼溫度之間更密切的相關性，這種相關性遠不依賴於任何散熱器的尺寸或效率。因此，與圖 4 類似的圖形是確定器件結溫的最準確工具，前提是可以在實際應用電路板上以相同方式測量外殼溫度。
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