IC封裝的熱特性

IC封裝的熱特性對(duì)于IC應(yīng)用的性能和可靠性來說是非常關(guān)鍵的。本文描述了標(biāo)準(zhǔn)封裝的熱特性：熱阻(用“theta”或Θ表示)，ΘJA、ΘJC、ΘCA，并提供了熱計(jì)算、熱參考等熱管理技術(shù)的詳細(xì)信息。

引言

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，是由希臘語中“熱”的拼寫“thermos”衍生而來。熱阻對(duì)我們來說特別重要。

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在管殼上的參考點(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(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)量是通過將封裝直接放置于一個(gè)“無限吸熱”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)者可以通過熱量建?；蛑苯訙y(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+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，可通過下面公式進(jìn)行計(jì)算：

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

熱特性及測(cè)試條件

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)。

JEDEC規(guī)范可在這里得到：JEDEC。注意JEDEC標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了不同的熱應(yīng)用場(chǎng)合。

JEDEC規(guī)范名稱

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 (Still Air)

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.

JEDEC多層熱測(cè)試電路板規(guī)范JESD51-7摘要

High Effective Thermal Conductivity Test Board for Leaded Surface Mount Packages

JESD51-7規(guī)范中描述的熱測(cè)試電路板非常適合Maxim IC的應(yīng)用。

材質(zhì)：FR-4

板層：兩個(gè)信號(hào)層(頂層和底層)和兩個(gè)中間層。

成品板厚：1.60 ±16mm

金屬厚度

頂層和底層：2盎司銅(成品厚度0.070mm)

兩個(gè)中間層：1盎司銅(成品厚度0.035mm)

介質(zhì)層厚度：0.25mm到0.50mm

板尺寸：76.20mm x 114.30mm ±0.25mm (對(duì)于某一邊小于27mm的封裝)。

元件層的布線

測(cè)試設(shè)備放在電路板中心位置，并根據(jù)此進(jìn)行布線。走線從封裝本體向外延伸至少25mm。對(duì)于引腳間距為0.5mm或更大的封裝，線寬應(yīng)為0.25 ±10%，對(duì)引腳間距更小的封裝來說，線寬應(yīng)與引腳寬度相等。走線類型和走線端接規(guī)范在JESD51-7中有詳細(xì)的說明。

底層的布線

器件層端接到通孔的布線可以通過走線或線纜(22 AWG或更小的銅線)連接到邊緣連接器。JESD51-7規(guī)范中詳細(xì)列出了不同線寬對(duì)應(yīng)的電流限度。

除通孔隔離布線模式外，電源和地平面應(yīng)當(dāng)保持完整，且與邊緣連接器的距離應(yīng)當(dāng)大于9.5mm。

帶裸焊盤的封裝

對(duì)于帶裸焊盤(EP)的封裝(如QFN封裝，DFN封裝(雙列扁平無外伸引腳)，EP-TQFP封裝)，其熱特性中非常重要的一點(diǎn)是裸焊盤焊點(diǎn)下方的散熱過孔的設(shè)計(jì)。在典型的熱特性電路板設(shè)計(jì)中，會(huì)有一個(gè)包含4個(gè)、9個(gè)或16個(gè)通孔的陣列，就近連接到地平面上。通孔數(shù)量超過25個(gè)以后，散熱改進(jìn)基本趨于平緩，不會(huì)再有顯著的改善。理解電路板上的散熱通孔與系統(tǒng)熱特性之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是十分重要的。關(guān)于帶裸焊盤封裝的電路板設(shè)計(jì)請(qǐng)參見JESD51-5。

焊接覆蓋率

用戶焊接電路板時(shí)，應(yīng)當(dāng)保證焊點(diǎn)的覆蓋率達(dá)到50%或者更高，當(dāng)焊點(diǎn)的空白面積接近50%或更多時(shí)，將會(huì)由于未連接到散熱通孔而對(duì)熱阻產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

熱建模

采用FLOTHERM?和其它的熱分析軟件可以對(duì)封裝和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確的熱預(yù)測(cè)。適當(dāng)?shù)臒崮Ｐ团c經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以精確地反映實(shí)際應(yīng)用的情況。

電路設(shè)計(jì)工具，如PSPICE或Cadence? toolscan可用來建立簡(jiǎn)單的封裝熱模型。封裝可以表示成電阻的形式，以電阻網(wǎng)絡(luò)的方式連接到電路板上。確認(rèn)封裝模型符合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，該模型可用來預(yù)估封裝結(jié)構(gòu)的變化情況，包括：管芯尺寸、裸焊盤尺寸、帶有保險(xiǎn)絲的引腳、或連接到平面的地線數(shù)量。這些假設(shè)分析模型對(duì)于封裝結(jié)構(gòu)的定制能夠給出相當(dāng)精確的預(yù)估

審核編輯：郭婷