摘要
IC 封装的热特性对IC 运用和可靠性是非常重要的参数。本文详细描绘了规范封装的热特性主要参数：热阻(ΘJA、ΘJC、ΘCA)等参数。本文就热阻相关规范的开展、物理含义及丈量办法等相关问题作详细介绍，并提出了在实践体系中热核算和热办理的一些经历办法。期望使电子器材及体系规划工程师能明晰热阻值的相关原理及运用，以处理器材及体系过热问题。
1 导言
半导体技能依照摩尔定理不断的开展，集成电路的密度越来越高，尺度越来越小。一切集成电路在作业时都会发热，热量的累积必定导致半导体结点温度的升高，跟着结点温度的进步，半导体元器材功能将会下降，乃至构成芯片危害。因而每个芯片厂家都会规则其半导元体器材的最大结点温度。为了确保元器材的结温低于最大答应温度，经由封装进行的从IC 本身到周围环境的有用散热就至关重要。在一般数字电路中，因为低速电路的功耗较小，在正常的散热条件下，芯片的温升不会太大，所以不必考虑芯片的散热问题。而在高速电路中，芯片的功耗较大，在天然条件下的散热现已不能确保芯片的结点温度不超越答应作业温度，因而就需求考虑芯片的散热问题，使芯片能够作业在正常的温度规模之内。
2 热特性根底
在一般条件下，热量的传递经过传导、对流、辐射三种办法进行。传导是经过物体的触摸，将暖流从高温向低温传递，导热率越好的物体则导热功能越好，一般来说金属导热功能最好;对流是经过物体的活动将暖流带走，液体和气体的流速越快，则带走的热量越多;辐射不需求详细的中心前言，直接将热量发送出去，真空中作用更好。
3 热阻
半导体器材热量主要是经过三个途径发出出去：封装顶部到空气，封装底部到电路板和封装引脚到电路板。
电子器材散热中最常用的，也是最重要的一个参数便是热阻(Thermal Resistance)。热阻是描绘物质热传导特性的一个重要目标。以%&&&&&%为例，热阻是衡量封装将管芯发生的热量传导至电路板或周围环境的才能的一个规范和才能。界说如下：
热阻值一般常用表明，其间Tj为芯片Die 外表的温度(结温)，Tx为热传导到某目标点方位的温度，P 为输入的发热功率。电子规划中，假如电流流过电阻就会发生压差。同理，假如热量流经热阻就会发生温差。热阻大表明热不简略传导，因而器材所发生的温度就比较高，由热阻能够判别及猜测器材的发热情况。一般情况下，芯片的结温升高，芯片的寿数会削减，故障率也增高。在温度超越芯片给定的额外最高结温时，芯片就或许会损坏。
图1. 芯片热阻示意图
ΘJA 是芯片Die 外表到周围环境的热阻，单位是℃/W。周围环境一般被看作热“地”点。JA取决于IC 封装、电路板、空气流通、辐射和体系特性，一般辐射的影响能够疏忽。ΘJA专指天然条件下 (没有加通风办法)的数值。因为丈量是在规范规范的条件下测验，因而关于不同的基板规划以及环境条件就会有不同的成果，因而此值能够用于比较封装散热的简略与否，用于定性的比较。
ΘJC 是芯片Die 外表到封装外壳的热阻，外壳能够看作是封装外外表的一个特定点。ΘJC 取决于封装资料(引线结构、模塑资料、管芯粘接资料)和特定的封装规划(管芯厚度、裸焊盘、内部散热过孔、所用金属资料的热传导率)。对带有引脚的封装来说，ΘJC在外壳上的参阅点坐落塑料外壳延伸出来的1 管脚，在规范的塑料封装中，ΘJC的丈量方位在1 管脚处。该值主要是用于评价散热片的功能。
留意ΘJC 表明的仅仅是散热通路到封装外表的电阻，因而ΘJC 总是小于ΘJA。ΘJC 表明是特定的、经过传导办法进行热传递的散热通路的热阻，而ΘJA则表明的是经过传导、对流、辐射等办法进行热传递的散热通路的热阻。
ΘCA 是指从芯片管壳到周围环境的热阻。ΘCA 包含从封装外外表到周围环境的一切散热通路的热阻。依据上面给出的界说，咱们能够知道：ΘJA =ΘJC+ΘCA
ΘJB是指从芯片外表到电路板的热阻，它对芯片Die 外表到电路板的热通路进行了量化，可用于评价PCB 的传热效能。ΘJB包含来自两个方面的热阻：从芯片Die 外表到封装底部参阅点的热阻，以及贯穿封装底部的电路板的热阻。该值可用于评价PCB 的热传效能。
从这儿，咱们能够看出，热量的传递主要有三条途径，榜首：芯片Die 外表的热量经过封装资料(Mold Compound)传导到器材外表然后经过对流散热/辐射散到周围，第二：是从芯片Die 外表到焊盘，然后由衔接到焊盘的印刷电路板进行对流/辐射散。第三：芯片外表热量经过Lead Frame传递到PCB 上散热。明显ΘJA 的值与外部环境密切相关。
Ψ 和θ 之界说相似，但不同之处是Ψ 是指在大部分的热量传递的情况下，而θ 是指悉数的热量传递。在实践的电子体系散热时，热会由封装的上下乃至周围传出，而不一定会由单一方向传递，因而Ψ 之界说比较符合实践体系的量测情况。
JB是芯片Die 外表到电路板的热特性参数，单位是℃/W，热特性参数与热阻是不同的。相关于热阻JB 丈量时的直接单通路不同，JB丈量的元件功率通量是依据多条热通路的。因为这些JB的热通路中包含封装顶部的热对流，因而愈加便于用户的运用。
热阻的丈量是以JESD51 规范给出的，JEDEC 中界说的结构装备不是实践运用中的典型体系反映，而是为了坚持一致性和规范性，选用规范化的热剖析和热丈量办法。这有助于比照不同封装改变的热功能目标。其规范环境是指将器材安装在较大的印刷电路板上，并置于1 立方英尺的停止空气中。因而阐明书中的数值实践上是一个体系等级的参数。
图2. JESD51 规范芯片热阻丈量环境示意图
以TO263 为例，它包含一个规范的JEDEC 高K 板(2S2P)与1 盎司内部铜平面和接地平面。该封装是焊接到一个2 盎司铜焊盘上。这个底盘是经过导热孔联到1 盎司接地层。下图的侧视图中显示出的核算机模型中运用的操作环境。
图3. TO-263 热阻模型图
JESD 是一套完好的规范。详细的规范能够拜见相关网站。
JESD51: Methodology for the Thermal Measurement of Component Packages (Single Semiconductor
Device)
JESD51-1: Integrated Circuit Thermal Measurement Method—Electrical Test Method (Single Semiconductor Device)
JESD51-2: Integrated Circuit Thermal Test Method Environmental Conditions—Natural Convection (StillAir)
JESD51-3: Low Effective Thermal Conductivity Test Board for Leaded Surface Mount Packages
JESD51-4: Thermal Test Chip Guideline (Wire Bond Type Chip)
JESD51-5: Extension of Thermal Test Board Standards for Packages with Direct Thermal Attachment Mechanisms
JESD51-6: Integrated Circuit Thermal Test Method Environmental Conditions—Forced Convection
(Moving Air)
JESD51-7: High Effective Thermal Conductivity Test Board for Leaded Surface Mount Packages
JESD51-8: Integrated Circuit Thermal Test Method Environmental Conditions—Junction-to-Board
JESD51-9: Test Boards for Area Array Surface Mount Package Thermal Measurements
JESD51-10: Test Boards for Through-Hole Perimeter Leaded Package Thermal Measurements.
JEDEC51-12: Guidelines for Reporting and Using Electronic Package Thermal Information.
4 常用热阻值¹
为了更好的核算和了解ΘJA ，一些新的参数不断被引进，ΘCU 是PCB 板上铜的热阻，ΘFR4 是典型FR4 板材PCB 的热阻，ΘVIA 是PCB 板上过孔的热阻，ΘSA 是PCB 板外表到周围空气的热阻。下图是一个典型的PCB 扩展热阻模型。
5 有用散热的经历规律
散热对芯片而言是非常重要的，下图以ADS58C48 为例，阐明晰在不同的温度下，芯片(高速ADC 为例)的功能会有不同的体现，在高温下功能往往恶化。因而在规划体系时有必要高度重视芯片的作业温度，轻者会影响体系的功能，重者或许会构成芯片损坏。
图5. ADS58C48 在不同温度和作业电压下的特性
5.1 挑选适宜的封装
从芯片手册上能够知道封装的热阻，然后可依据给定的耗散功率和环境温度预算芯片的作业结温。咱们能够考虑一个简略比方(以ADS58C48 为例)，器材的AVDD 和DRVDD 均为1.8V，典型供电电流分别为：290mA 和207mA。最大容许结温为125℃。
功耗能够表明为：P=V*I=AVDD*Iavdd+DRVDD*Idrvdd=0.522+0.373=0.895W
结温JA=24℃/W，设备作业在散热不良的密闭空间，环境温度为75℃。预算结温如下：
Tj=75+0.895*24=75+21.8=96.8℃
这个预算温度远远小于最大的结温温度，所以器材不会呈现过热问题。
进程看上去很简略，但实践上很杂乱。关于详细的%&&&&&%，ΘJA 值与PCB 板的尺度、散热办法(风冷仍是天然冷却)、板的层数、每层板的铜的厚度以及芯片周边是否存在其他发热量很高的器材相关。一般咱们能够依据热成像图片做实践热阻核算：比方依据热成像图片得到该器材的最高发热区域而且读出温度改变，然后依据在该芯片上的电流电压得到它的功耗即可得出实践的热阻参数。
5.2 尽或许大面积的PCB 覆铜
对进步散热功能来说，PCB 的表层和底层是抱负的散热空间。更大的PCB，其可用于热传导的面积也就越大，一起也具有更大灵活性，应在高功耗器材之间留有充沛的空间。一般情况下，接地层铜的面积较大，能为PCB 散热供给极好的热通路。运用宽的导线乃至铜平面，在远离高功耗器材的当地布线，能够为散热供给高效的热通路。
为了进一步阐明，咱们选TPS75825(TO-263)作为比方。其间，均匀输入电压是3.3V 下，均匀输出电压为2.5V，均匀输出电流为3A，环境温度55℃，空气流量为150 LFM和操作环境是相同的，如下文所述。疏忽静态电流后，最大的均匀功率：PDmax = (3.3 -2.5) V * 3A =2.4W
依据公式1 可知，ΘJA=(125-55)/2.4W=29℃/W
从下图可知，ΘJA 与铜散热面积比照，接地层需求2 平方厘米的面积去散失2.4W 的能量。
图6. 热阻和铜散热区面积的联系
假如已知ΘJA，则从公式1 中能够推出，该ΘJA 值下，不同PCB 面积对应的不同最大耗散功率。
图7. 功耗和铜散热区面积的联系
5.3 添加铜厚度
PCB 的铜厚度添加，体系组件的热功能也就越高。铜平面，典型1 盎司铜的单位面积(1cm2)热阻
=71.4 ºC/W。在答应的规模内，主张运用更重的铜平面，能够有用的下降热阻。当选用2 盎司铜的时分，单位面积的热阻就下降为：
=35ºC/W
5.4 用散热焊盘和过孔将多层PCB 衔接
合理安排PCB 多层的堆叠联系和布线，也会添加用于热传导的铜的总比重。芯片下方的PCB 上的散热过孔有助于热量进入到PCB 内部各层，并传导至电路板的背部。
一般情况下，热焊盘都是接地焊盘，因而内部接地层和外表接地层是最常用的最便利的散热平面。典型的半盎司铜厚的12mil 的过孔的热阻是261ºC/W。因而在热焊盘下面竭尽或许多的过孔构成矩阵。这些过孔尽或许的衔接多的PCB 铜层，能够有用的进行散热，将大大进步散热功率。
以ADS62C17 为例，手册上为我们供给了参阅的过孔规划计划。答应在热焊盘下面以1mm为距离，铺设49 个过孔，经过过孔和接地层衔接在一起。7*7 的矩阵的过孔的热阻约为：261/49=5.33 ºC/W。
图8. ADS62C17 主张过孔计划
5.5 合理的散热结构，不影响散热途径，便于热能的分散
合理的PCB 散热布局能够有用的促进散热功率。PCB 板上的高散热器材应互相分隔，这种高散热器材的物理距离可让每个器材的PCB 散热面积最大化，然后加速散热。发散元件周围尽量不要放高大元件，影响散热;从散热的视点，PCB 笔直放置时，散热的作用更好。此刻主张将高散热器材放到PCB 的上端。
5.6 散热片的合理运用
专用导热散热片是芯片散热的一种极好办法。散热片一般坐落与芯片相连的PCB 背部或芯片的顶部，并经过适宜的界面导热资料与散热源衔接。为了完成最优的功能，散热片最好衔接到热阻阻抗低的途径上。
图9. BGA 芯片加散热片后热阻示意图
5.7 选取适宜的截面导热资料
芯片和散热器间的热界面资料层是高功耗器材封装中暖流的最大妨碍。挑选适宜的资料来填充芯片和散热器间的界面对半导体器材的功能和可靠性都十分重要。界面资料经过填充气孔和密贴接合面不光滑外表描摹来下降发热和散热单元直接合面的触摸热阻。
5.8 机箱散热
条件答应情况下，使用机箱散热是很好的计划。能够在机箱的底部，顶部开窗，充沛使用烟囱效应构成气流散热;使用机箱内部电扇散热也是很好的办法。
5.9 不要在散热走线上覆阻焊层
阻焊层的作用是防止在焊接进程中焊料无序活动而导致焊盘引线之间桥接短路。在规划中有大功率器材需求经过电路板散热时也能够在阻焊层上开窗，以添加散热PCB 的面积。
6 总结
关于任何一个有用的规划，热规划都是有必要要考虑的，应该在呈现问题之前就充沛考虑，削减犯错的或许性。本文详细描绘了规范封装的热特性的一些主要参数：热阻(ΘJA、ΘJC、ΘCA)等参数，并提出了在实践体系中热核算和热办理的一些经历办法。期望使电子器材及体系规划工程师能明晰热阻的相关原理及运用，以处理器材及体系过热问题。
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