SOT-223封裝的熱特性詳解

對于功率IC，不同封裝的熱參數(shù)應(yīng)符合不同的應(yīng)用和用戶要求，并根據(jù)規(guī)格確定不同類型封裝的熱限制。熱參數(shù)，例如熱阻 θ JA和 θ JC，用于確定集成電路的散熱性能。低熱阻代表更好的熱性能。具有較低熱阻的系統(tǒng)可以散發(fā)更多的熱量。

本文闡述了采用 SOT-223 封裝的集成電路的散熱，包括熱參數(shù)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。最后，我們將介紹 SOT-223 封裝的 PCB 銅布局的熱分析。

1. 集成電路的一般熱學(xué)理論

熱阻是物體產(chǎn)生溫差的熱特性，是熱導(dǎo)率的倒數(shù)。在特定封裝的熱流路徑中，存在許多熱阻，主要與硅芯片、模塑料、引線框架的銅、芯片貼裝等材料有關(guān)。在圖 1 中，它是特定封裝的等效熱阻模型。為此，電阻系列定義為等式（1）。

圖 1. 等效熱阻系列

2. SOT-223 熱阻測量

2-1 測量環(huán)境

根據(jù) JEDEC 51-2 熱測量標(biāo)準(zhǔn)，θ JA應(yīng)在 T A = 25°C下通過自然對流（氣流 = 0 ft/min）中的標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境條件進(jìn)行測量。標(biāo)準(zhǔn)化的環(huán)境條件如圖 2 所示（尺寸以毫米為單位）。

（a） 測試環(huán)境側(cè)視圖（b） 測試環(huán)境端視圖

圖 2. 標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境條件

2-2 熱測試板外形

在 JEDEC 51-3 和 JEDEC 51-7 熱測量標(biāo)準(zhǔn)中，被測器件安裝在標(biāo)準(zhǔn)測試板上，測試板的詳細(xì)規(guī)格如圖 3 至圖 6 所示。對于 SOT-223 封裝，4mm x 4mm銅面積和 1/mm 寬的銅線旨在消散熱流。

低有效導(dǎo)熱率測試板布局（單層銅，參考 JEDEC 51-3）

圖 3. 單層俯視圖

圖 4. 單層 PCB 剖面圖

高效導(dǎo)熱測試板布局（四層銅，參考 JEDEC 51-7）

圖 5. 四層俯視圖

圖 6. 四層 PCB 剖面圖

2-3 SOT-223 熱電阻

基于 JEDEC 51-3 和 JEDEC 51-7 測量方法，可以在固定功耗和環(huán)境溫度條件下估算SOT-223 封裝的熱阻 θ JA和 θ JC 。測量結(jié)果如下圖所示：

3. SOT-223封裝結(jié)構(gòu)的熱特性

3-1 SOT-223 封裝結(jié)構(gòu)材料特性

由式（2）可知，較低的電阻意味著在相同的功耗和環(huán)境溫度下，結(jié)溫會更低，封裝材料的熱導(dǎo)率將主導(dǎo)封裝的熱阻。因此，SOT-223 封裝利用引線框架的高導(dǎo)熱性來降低熱阻。SOT-223封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示，該模型所用元件的物理尺寸參數(shù)和材料特性總結(jié)如表1。

圖 7. SOT-223 頂部和剖面透明視圖圖

圖 8 中，SOT-223 與其他封裝之間的結(jié)構(gòu)非常具體的差異。在 SOT-223 封裝中，芯片熱源直接連接到裸露的引線框架，主要的熱流可以通過裸露的引線框架傳導(dǎo)到 PCB 走線和環(huán)境。然而，其他封裝僅使用金線連接管芯和引線框架。這使得 SOT-223 的熱阻比其他封裝更小。因此，我們可以利用這一特性通過在 SOT-223 封裝上設(shè)計 PCB 銅布局來提高熱性能。

圖 8. SOT-223 封裝透明視圖圖

3-2 SOT-223 封裝的熱性能增強(qiáng)

由于 SOT-223 封裝的結(jié)構(gòu)，可以通過在裸露的引線框架下增加銅區(qū)域來提高熱阻。圖 9 顯示了銅面積和熱阻 θ JA之間的關(guān)系。當(dāng) IC 安裝到標(biāo)準(zhǔn)尺寸 （16mm 2 ） 時，熱阻 θ JA為 135°C/W，在封裝下將焊盤的銅面積增加到 100mm 2可將 θ JA降低到 107°C/W。更進(jìn)一步，將焊盤的銅面積增加到 2500mm 2可以將 θ JA降低到 50°C/W。

圖 9. SOT-223 熱阻 θ JA。與 PCB 銅面積

如圖 9 所示，我們還可以發(fā)現(xiàn) SOT-223 在環(huán)境溫度 T A = 25°C 操作下通過不同的銅面積設(shè)計提高了最大功耗。

圖 10. 最大功耗 P D。與 PCB 銅面積

對于 SOT-223 封裝，圖 11 中的降額曲線使設(shè)計人員可以看到環(huán)境溫度升高對最大功耗的影響。

圖 11. SOT-223 封裝的降額曲線

4、結(jié)論

根據(jù)上面對熱阻和結(jié)溫的討論，發(fā)現(xiàn)熱阻影響系統(tǒng)的耗散熱。我們必須遵循最大功耗（功率限制）和最大結(jié)到環(huán)境熱阻的要求。如果所選封裝不能滿足熱阻限制要求，則需要改進(jìn) PCB 布局，使 IC 結(jié)溫保持在 125°C 以下。因此，對于具有多種功耗的大功率IC系列產(chǎn)品，增加適當(dāng)?shù)母层~面積是必不可少的。