IC 的熱特性-熱阻

 摘要

IC 封裝的熱特性對(duì)IC 應(yīng)用和可靠性是非常重要的參數(shù)。本文詳細(xì)描述了標(biāo)準(zhǔn)封裝的熱特性主要參數(shù)：熱阻(ΘJA、ΘJC、ΘCA)等參數(shù)。本文就熱阻相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展、物理意義及測量方式等相關(guān)問題作詳細(xì)介紹，并提出了在實(shí)際系統(tǒng)中熱計(jì)算和熱管理的一些經(jīng)驗(yàn)方法。希望使電子器件及系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師能明了熱阻值的相關(guān)原理及應(yīng)用，以解決器件及系統(tǒng)過熱問題。

1 引言

半導(dǎo)體技術(shù)按照摩爾定理不斷的發(fā)展，集成電路的密度越來越高，尺寸越來越小。所有集成電路在工作時(shí)都會(huì)發(fā)熱，熱量的累積必定導(dǎo)致半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)溫度的升高，隨著結(jié)點(diǎn)溫度的提高，半導(dǎo)體元器件性能將會(huì)下降，甚至造成芯片損害。因此每個(gè)芯片廠家都會(huì)規(guī)定其半導(dǎo)元體器件的最大結(jié)點(diǎn)溫度。為了保證元器件的結(jié)溫低于最大允許溫度，經(jīng)由封裝進(jìn)行的從IC 自身到周圍環(huán)境的有效散熱就至關(guān)重要。在普通數(shù)字電路中，由于低速電路的功耗較小，在正常的散熱條件下，芯片的溫升不會(huì)太大，所以不用考慮芯片的散熱問題。而在高速電路中，芯片的功耗較大，在自然條件下的散熱已經(jīng)不能保證芯片的結(jié)點(diǎn)溫度不超過允許工作溫度，因此就需要考慮芯片的散熱問題，使芯片可以工作在正常的溫度范圍之內(nèi)。

2 熱特性基礎(chǔ)

在通常條件下，熱量的傳遞通過傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射三種方式進(jìn)行。傳導(dǎo)是通過物體的接觸，將熱流從高溫向低溫傳遞，導(dǎo)熱率越好的物體則導(dǎo)熱性能越好，一般來說金屬導(dǎo)熱性能最好;對(duì)流是通過物體的流動(dòng)將熱流帶走，液體和氣體的流速越快，則帶走的熱量越多;輻射不需要具體的中間媒介，直接將熱量發(fā)送出去，真空中效果更好。

3 熱阻

半導(dǎo)體器件熱量主要是通過三個(gè)路徑散發(fā)出去：封裝頂部到空氣，封裝底部到電路板和封裝引腳到電路板。

電子器件散熱中最常用的，也是最重要的一個(gè)參數(shù)就是熱阻(Thermal Resistance)。熱阻是描述物質(zhì)熱傳導(dǎo)特性的一個(gè)重要指標(biāo)。以集成電路為例，熱阻是衡量封裝將管芯產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至電路板或周圍環(huán)境的能力的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和能力。定義如下：

熱阻值一般常用𝜃表示，其中Tj為芯片Die 表面的溫度(結(jié)溫)，Tx為熱傳導(dǎo)到某目標(biāo)點(diǎn)位置的溫度，P 為輸入的發(fā)熱功率。電子設(shè)計(jì)中，如果電流流過電阻就會(huì)產(chǎn)生壓差。同理，如果熱量流經(jīng)熱阻就會(huì)產(chǎn)生溫差。熱阻大表示熱不容易傳導(dǎo)，因此器件所產(chǎn)生的溫度就比較高，由熱阻可以判斷及預(yù)測器件的發(fā)熱狀況。通常情況下，芯片的結(jié)溫升高，芯片的壽命會(huì)減少，故障率也增高。在溫度超過芯片給定的額定最高結(jié)溫時(shí)，芯片就可能會(huì)損壞。

圖1. 芯片熱阻示意圖

ΘJA 是芯片Die 表面到周圍環(huán)境的熱阻，單位是℃/W。周圍環(huán)境通常被看作熱“地”點(diǎn)。𝜃JA取決于IC 封裝、電路板、空氣流通、輻射和系統(tǒng)特性，通常輻射的影響可以忽略。ΘJA專指自然條件下 (沒有加通風(fēng)措施)的數(shù)值。由于測量是在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的條件下測試，因此對(duì)于不同的基板設(shè)計(jì)以及環(huán)境條件就會(huì)有不同的結(jié)果，因此此值可以用于比較封裝散熱的容易與否，用于定性的比較。

ΘJC 是芯片Die 表面到封裝外殼的熱阻，外殼可以看作是封裝外表面的一個(gè)特定點(diǎn)。ΘJC 取決于封裝材料(引線框架、模塑材料、管芯粘接材料)和特定的封裝設(shè)計(jì)(管芯厚度、裸焊盤、內(nèi)部散熱過孔、所用金屬材料的熱傳導(dǎo)率)。對(duì)帶有引腳的封裝來說，ΘJC在外殼上的參考點(diǎn)位于塑料外殼延伸出來的1 管腳，在標(biāo)準(zhǔn)的塑料封裝中，ΘJC的測量位置在1 管腳處。該值主要是用于評(píng)估散熱片的性能。

注意ΘJC 表示的僅僅是散熱通路到封裝表面的電阻，因此ΘJC 總是小于ΘJA。ΘJC 表示是特定的、通過傳導(dǎo)方式進(jìn)行熱傳遞的散熱通路的熱阻，而ΘJA則表示的是通過傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射等方式進(jìn)行熱傳遞的散熱通路的熱阻。

ΘCA 是指從芯片管殼到周圍環(huán)境的熱阻。ΘCA 包括從封裝外表面到周圍環(huán)境的所有散熱通路的熱阻。根據(jù)上面給出的定義，我們可以知道：ΘJA =ΘJC+ΘCA

ΘJB是指從芯片表面到電路板的熱阻，它對(duì)芯片Die 表面到電路板的熱通路進(jìn)行了量化，可用于評(píng)估PCB 的傳熱效能。ΘJB包括來自兩個(gè)方面的熱阻：從芯片Die 表面到封裝底部參考點(diǎn)的熱阻，以及貫穿封裝底部的電路板的熱阻。該值可用于評(píng)估PCB 的熱傳效能。

從這里，我們可以看出，熱量的傳遞主要有三條路徑，第一：芯片Die 表面的熱量通過封裝材料(Mold Compound)傳導(dǎo)到器件表面然后通過對(duì)流散熱/輻射散到周圍，第二：是從芯片Die 表面到焊盤，然后由連接到焊盤的印刷電路板進(jìn)行對(duì)流/輻射散。第三：芯片表面熱量通過Lead Frame傳遞到PCB 上散熱。顯然ΘJA 的值與外部環(huán)境密切相關(guān)。

Ψ 和θ 之定義類似，但不同之處是Ψ 是指在大部分的熱量傳遞的狀況下，而θ 是指全部的熱量傳遞。在實(shí)際的電子系統(tǒng)散熱時(shí)，熱會(huì)由封裝的上下甚至周圍傳出，而不一定會(huì)由單一方向傳遞，因此Ψ 之定義比較符合實(shí)際系統(tǒng)的量測狀況。JB是芯片Die 表面到電路板的熱特性參數(shù)，單位是℃/W，熱特性參數(shù)與熱阻是不同的。相對(duì)于熱阻JB 測量時(shí)的直接單通路不同，JB測量的元件功率通量是基于多條熱通路的。由于這些JB的熱通路中包括封裝頂部的熱對(duì)流，因此更加便于用戶的應(yīng)用。

熱阻的測量是以JESD51 標(biāo)準(zhǔn)給出的，JEDEC 中定義的結(jié)構(gòu)配置不是實(shí)際應(yīng)用中的典型系統(tǒng)反映，而是為了保持一致性和標(biāo)準(zhǔn)性，采用標(biāo)準(zhǔn)化的熱分析和熱測量方法。這有助于對(duì)比不同封裝變化的熱性能指標(biāo)。其標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境是指將器件安裝在較大的印刷電路板上，并置于1 立方英尺的靜止空氣中。因此說明書中的數(shù)值實(shí)際上是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)別的參數(shù)。

圖2. JESD51 標(biāo)準(zhǔn)芯片熱阻測量環(huán)境示意圖

以TO263 為例，它包括一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的JEDEC 高K 板(2S2P)與1 盎司內(nèi)部銅平面和接地平面。該封裝是焊接到一個(gè)2 盎司銅焊盤上。這個(gè)底盤是通過導(dǎo)熱孔聯(lián)到1 盎司接地層。下圖的側(cè)視圖中顯示出的計(jì)算機(jī)模型中使用的操作環(huán)境。

圖3. TO-263 熱阻模型圖

JESD 是一套完整的標(biāo)準(zhǔn)。具體的標(biāo)準(zhǔn)可以參見相關(guān)網(wǎng)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 常用熱阻值¹

為了更好的計(jì)算和理解ΘJA ，一些新的參數(shù)不斷被引入，ΘCU 是PCB 板上銅的熱阻，ΘFR4 是典型FR4 板材PCB 的熱阻，ΘVIA 是PCB 板上過孔的熱阻，ΘSA 是PCB 板表面到周圍空氣的熱阻。下圖是一個(gè)典型的PCB 擴(kuò)展熱阻模型。

5 有效散熱的經(jīng)驗(yàn)法則

散熱對(duì)芯片而言是非常重要的，下圖以ADS58C48 為例，說明了在不同的溫度下，芯片(高速ADC 為例)的性能會(huì)有不同的表現(xiàn)，在高溫下性能往往惡化。因此在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)必須高度關(guān)注芯片的工作溫度，輕者會(huì)影響系統(tǒng)的性能，重者可能會(huì)造成芯片損壞。

圖5. ADS58C48 在不同溫度和工作電壓下的特性

5.1 選擇合適的封裝

從芯片手冊(cè)上可以知道封裝的熱阻，然后可根據(jù)給定的耗散功率和環(huán)境溫度估算芯片的工作結(jié)溫。我們可以考慮一個(gè)簡單例子(以ADS58C48 為例)，器件的AVDD 和DRVDD 均為1.8V，典型供電電流分別為：290mA 和207mA。最大容許結(jié)溫為125℃。

功耗可以表示為：P=V*I=AVDD*Iavdd+DRVDD*Idrvdd=0.522+0.373=0.895W

結(jié)溫𝜃JA=24℃/W，設(shè)備工作在散熱不良的密閉空間，環(huán)境溫度為75℃。估算結(jié)溫如下：

Tj=75+0.895*24=75+21.8=96.8℃

這個(gè)估算溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于最大的結(jié)溫溫度，所以器件不會(huì)出現(xiàn)過熱問題。

過程看上去很簡單，但實(shí)際上很復(fù)雜。對(duì)于具體的IC，ΘJA 值與PCB 板的尺寸、散熱方式(風(fēng)冷還是自然冷卻)、板的層數(shù)、每層板的銅的厚度以及芯片周邊是否存在別的發(fā)熱量很高的器件相關(guān)。通常我們可以根據(jù)熱成像圖片做實(shí)際熱阻計(jì)算：比如根據(jù)熱成像圖片得到該器件的最高發(fā)熱區(qū)域并且讀出溫度變化，然后根據(jù)在該芯片上的電流電壓得到它的功耗即可得出實(shí)際的熱阻參數(shù)。

5.2 盡可能大面積的PCB 覆銅

對(duì)提高散熱性能來說，PCB 的表層和底層是理想的散熱空間。更大的PCB，其可用于熱傳導(dǎo)的面積也就越大，同時(shí)也擁有更大靈活性，應(yīng)在高功耗器件之間留有充分的空間。一般情況下，接地層銅的面積較大，能為PCB 散熱提供極好的熱通路。使用寬的導(dǎo)線甚至銅平面，在遠(yuǎn)離高功耗器件的地方布線，可以為散熱提供高效的熱通路。

為了進(jìn)一步說明，我們選TPS75825(TO-263)作為例子。其中，平均輸入電壓是3.3V 下，平均輸出電壓為2.5V，平均輸出電流為3A，環(huán)境溫度55℃，空氣流量為150 LFM和操作環(huán)境是相同的，如下文所述。忽略靜態(tài)電流后，最大的平均功率：PDmax = (3.3 -2.5) V * 3A =2.4W

根據(jù)公式1 可知，ΘJA=(125-55)/2.4W=29℃/W

從下圖可知，ΘJA 與銅散熱面積對(duì)比，接地層需要2 平方厘米的面積去消散2.4W 的能量。

圖6. 熱阻和銅散熱區(qū)面積的關(guān)系

如果已知ΘJA，則從公式1 中可以推出，該ΘJA 值下，不同PCB 面積對(duì)應(yīng)的不同最大耗散功率。

圖7. 功耗和銅散熱區(qū)面積的關(guān)系

5.3 增加銅厚度

PCB 的銅厚度增加，系統(tǒng)組件的熱性能也就越高。銅平面，典型1 盎司銅的單位面積(1cm2)熱阻=71.4 ºC/W。在允許的范圍內(nèi)，建議使用更重的銅平面，可以有效的降低熱阻。當(dāng)采用2 盎司銅的時(shí)候，單位面積的熱阻就降低為：=35ºC/W

5.4 用散熱焊盤和過孔將多層PCB 連接

合理安排PCB 多層的堆疊關(guān)系和布線，也會(huì)增加用于熱傳導(dǎo)的銅的總比重。芯片下方的PCB 上的散熱過孔有助于熱量進(jìn)入到PCB 內(nèi)部各層，并傳導(dǎo)至電路板的背部。

一般情況下，熱焊盤都是接地焊盤，因此內(nèi)部接地層和表面接地層是最常用的最方便的散熱平面。典型的半盎司銅厚的12mil 的過孔的熱阻是261ºC/W。因此在熱焊盤下面用盡可能多的過孔形成矩陣。這些過孔盡可能的連接多的PCB 銅層，可以有效的進(jìn)行散熱，將大大提高散熱效率。

以ADS62C17 為例，手冊(cè)上為大家提供了參考的過孔設(shè)計(jì)方案。允許在熱焊盤下面以1mm為間隔，鋪設(shè)49 個(gè)過孔，通過過孔和接地層連接在一起。7*7 的矩陣的過孔的熱阻約為：261/49=5.33 ºC/W。

圖8. ADS62C17 建議過孔方案

5.5 合理的散熱結(jié)構(gòu)，不影響散熱路徑，便于熱能的擴(kuò)散

合理的PCB 散熱布局可以有效的促進(jìn)散熱效率。PCB 板上的高散熱器件應(yīng)彼此分開，這種高散熱器件的物理間隔可讓每個(gè)器件的PCB 散熱面積最大化，從而加快散熱。發(fā)散元件周圍盡量不要放高大元件，影響散熱;從散熱的角度，PCB 垂直放置時(shí)，散熱的效果更好。此時(shí)建議將高散熱器件放到PCB 的上端。

5.6 散熱片的合理使用

專用導(dǎo)熱散熱片是芯片散熱的一種極好方法。散熱片一般位于與芯片相連的PCB 背部或芯片的頂部，并通過合適的界面導(dǎo)熱材料與散熱源連接。為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的性能，散熱片最好連接到熱阻阻抗低的路徑上。

圖9. BGA 芯片加散熱片后熱阻示意圖

5.7 選取合適的截面導(dǎo)熱材料

芯片和散熱器間的熱界面材料層是高功耗器件封裝中熱流的最大障礙。選擇合適的材料來填充芯片和散熱器間的界面對(duì)半導(dǎo)體器件的性能和可靠性都十分重要。界面材料通過填充氣孔和密貼接合面不光滑表面形貌來降低發(fā)熱和散熱單元間接合面的接觸熱阻。

5.8 機(jī)箱散熱

條件允許情況下，利用機(jī)箱散熱是很好的方案?？梢栽跈C(jī)箱的底部，頂部開窗，充分利用煙囪效應(yīng)形成氣流散熱;利用機(jī)箱內(nèi)部風(fēng)扇散熱也是很好的方法。

5.9 不要在散熱走線上覆阻焊層

阻焊層的作用是避免在焊接過程中焊料無序流動(dòng)而導(dǎo)致焊盤引線之間橋接短路。在設(shè)計(jì)中有大功率器件需要通過電路板散熱時(shí)也可以在阻焊層上開窗，以增加散熱PCB 的面積。

6 總結(jié)

對(duì)于任何一個(gè)有效的設(shè)計(jì)，熱設(shè)計(jì)都是必須要考慮的，應(yīng)該在出現(xiàn)問題之前就充分考慮，減少出錯(cuò)的可能性。本文詳細(xì)描述了標(biāo)準(zhǔn)封裝的熱特性的一些主要參數(shù)：熱阻(ΘJA、ΘJC、ΘCA)等參數(shù)，并提出了在實(shí)際系統(tǒng)中熱計(jì)算和熱管理的一些經(jīng)驗(yàn)方法。希望使電子器件及系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師能明了熱阻的相關(guān)原理及應(yīng)用，以解決器件及系統(tǒng)過熱問題。

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