IC電源設(shè)計(jì)封裝熱管理初探

在熱特性及測(cè)試條件過(guò)程中，IC 封裝的熱特性必須采用符合 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)的方法和設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。在不同的特定應(yīng)用電路板上的熱特性具有不同的結(jié)果。據(jù)了解 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，應(yīng)用了標(biāo)準(zhǔn)化的熱分析和熱測(cè)量方法。這有助于對(duì)比不同封裝變化的熱性能指標(biāo)。

為確保產(chǎn)品的高可靠性，在選擇 IC 封裝時(shí)應(yīng)考慮其熱管理指標(biāo)。所有 IC 在有功耗時(shí)都會(huì)發(fā)熱，為了保證器件的結(jié)溫低于最大允許溫度，經(jīng)由封裝進(jìn)行的從 IC 到周圍環(huán)境的有效散熱十分重要。本文有助于設(shè)計(jì)人員和客戶理解 IC 熱管理的基本概念。在討論封裝的熱傳導(dǎo)能力時(shí)，會(huì)從熱阻和各“theta”值代表的含義入手，定義熱特性的重要參數(shù)。本文還提供了熱計(jì)算公式和數(shù)據(jù)，以便能夠得到正確的結(jié)(管芯)溫度、管殼(封裝)溫度和電路板溫度。

熱阻的重要性

半導(dǎo)體熱管理技術(shù)涉及到熱阻，熱阻是描述物質(zhì)熱傳導(dǎo)特性的一個(gè)重要指標(biāo)。計(jì)算時(shí)，熱阻用“Theta”表示，是由希臘語(yǔ)中“熱”的拼寫“thermos”衍生而來(lái)。熱阻對(duì)我們來(lái)說(shuō)特別重要。

IC 封裝的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)。給出不同兩點(diǎn)的溫度，則從其中一點(diǎn)到另外一點(diǎn)的熱流量大小完全由熱阻決定。如果已知一個(gè) IC 封裝的熱阻，則根據(jù)給出的功耗和參考溫度即可算出 IC 的結(jié)溫。

Maxim 網(wǎng)站(制造商、布線、產(chǎn)品、QA/ 可靠性、采購(gòu)信息)中給出了常用的 IC 熱阻值。

定義

以下章節(jié)給出了 Theta (Θ)、Psi (Ψ)的定義，這些標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)用來(lái)表示 IC 封裝的熱特性。

ΘJA 是結(jié)到周圍環(huán)境的熱阻，單位是°C/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。

ΘJC 是結(jié)到管殼的熱阻，管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(guò)孔、所用金屬材料的熱傳導(dǎo)率)。

對(duì)帶有引腳的封裝來(lái)說(shuō)，ΘJC 在管殼上的參考點(diǎn)位于塑料外殼延伸出來(lái)的 1 管腳，在標(biāo)準(zhǔn)的塑料封裝中，ΘJC 的測(cè)量位置在 1 管腳處。對(duì)于帶有裸焊盤的封裝，ΘJC 的測(cè)量位置在裸焊盤表面的中心點(diǎn)。ΘJC 的測(cè)量是通過(guò)將封裝直接放置于一個(gè)“無(wú)限吸熱”的裝置上進(jìn)行的，該裝置通常是一個(gè)液冷卻的銅片，能夠在無(wú)熱阻的情況下吸收任意多少的熱量。這種測(cè)量方法設(shè)定從管芯到封裝表面的熱傳遞全部由傳導(dǎo)的方式進(jìn)行。

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(guò)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(guò)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 是指從結(jié)到電路板的熱阻，它對(duì)結(jié)到電路板的熱通路進(jìn)行了量化。通常ΘJB 的測(cè)量位置在電路板上靠近封裝的 1 管腳處(與封裝邊沿的距離小于 1mm)。ΘJB 包括來(lái)自兩個(gè)方面的熱阻：從 IC 的結(jié)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。

測(cè)量ΘJB 時(shí)，首先阻斷封裝表面的熱對(duì)流，并且在電路板距封裝位置較遠(yuǎn)的一側(cè)安裝一個(gè)散熱片。如下圖 1 所示：

圖 1. ΘJB 的測(cè)量過(guò)程示意圖

ΨJB 是結(jié)到電路板的熱特性參數(shù)，單位是°C/W。文章 JESD51-12–Guidelines for Reporting and Using Package Thermal Information，明確指出熱特性參數(shù)與熱阻是不同的。與熱阻ΘJB 測(cè)量中的直接單通路不同，ΨJB 測(cè)量的元件功率通量是基于多條熱通路的。由于這些ΨJB 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。關(guān)于ΨJB 參數(shù)的更多詳細(xì)說(shuō)明請(qǐng)參考 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)的 JESD51-8 和 JESD51-12 部分。

設(shè)計(jì)者可以通過(guò)熱量建模或直接測(cè)量的方式確定ΘJB 和ΨJB 的值。對(duì)上述任意一種方式，參見下面的步驟：

將功耗控制在適合ΘJB 或ΨJB 的范圍內(nèi)。

測(cè)定管芯溫度，通常用一個(gè)芯片上的二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。

測(cè)定在距封裝邊緣小于 1mm 處的 PCB 溫度。

測(cè)定功耗。

ΨJT 是衡量結(jié)溫和封裝頂部溫度之間的溫度變化的特征參數(shù)。當(dāng)封裝頂部溫度和功耗已知時(shí)，ΨJT 有助于估算結(jié)溫。

熱計(jì)算

結(jié)溫

TJ = TA + (ΘJA × P)

其中：

TJ = 結(jié)溫

TA = 周圍環(huán)境溫度

P = 功耗，單位為 W

TJ 也可用ΨJB 或ΨJT 的值來(lái)計(jì)算，如：

TJ = TB + (ΨJB × P)

其中：

TB = 距離封裝小于 1mm 處的電路板溫度

TJ = TT + (ΨJT × P)

其中：

TT = 在封裝頂部的中心處測(cè)得的溫度。

注意：產(chǎn)品數(shù)據(jù)資料給出了每個(gè)器件所允許的最大結(jié)溫。

最大允許功耗

Pmax = (TJ-max - TA) / ΘJA

Maxim 產(chǎn)品中列出的最大允許功率是在環(huán)境溫度為+70°C 和最大允許結(jié)溫為+150°C 的條件下給出的。

降額系數(shù)

該系數(shù)描述了在環(huán)境溫度高于+70°C 時(shí)，每升高 1°C 所應(yīng)降低的功耗值，單位為 mW/°C。

降額系數(shù) = P / (TJ - TA)

其中：

TA 的典型值為+70°C (商用)。

TJ 是最大允許結(jié)溫，典型值為+150°C。

為了得到在環(huán)境溫度超過(guò)+70°C 時(shí)(例如，對(duì)于擴(kuò)展溫度范圍的+85°C)的最大允許功率，可通過(guò)下面公式進(jìn)行計(jì)算：

Pmax85C = Pmax70C - (降額系數(shù) × (85 - 70))