芯片散熱設(shè)計基本概念

一般用符號θ來表示熱阻。熱阻的單位為℃/W。除非另有說明，熱阻指熱量在從熱IC結(jié)點傳導至環(huán)境空氣時遇到的阻力。也可更具體地表示為θJA，即結(jié)至環(huán)境熱阻。θJC和θCA是θ的兩種其他形式，詳見下文。

一般地，熱阻θ等于100℃/W的器件在1W功耗下將表現(xiàn)出100℃的溫差，該值在兩個參照點之間測得。請注意，這是一種線性關(guān)系，因此，在該器件中，1 W的功耗將產(chǎn)生100℃的溫差。再者對于熱阻θ=95℃/W，因此，1.3 W的功耗將產(chǎn)生大約124℃結(jié)至環(huán)境溫差。當然，預測內(nèi)部溫度時使用的正是這種溫度的上升，其目的是判斷設(shè)計的熱可靠性。當環(huán)境溫度為25°C時，允許約150℃的內(nèi)部結(jié)溫。實際上，多數(shù)環(huán)境溫度都在25℃以上，因此，可以處理的功耗會稍低。

對于任意功耗P(單位：W)，都可以用以下等式來計算有效溫差(ΔT)(單位：℃)：ΔT = P ×θ

其中，θ為總適用熱阻。下圖總結(jié)了一些基本的熱關(guān)系。

請注意，串行熱阻(如右側(cè)的兩個熱阻)模擬的是一個器件可能遇到的總熱阻路徑。因此，在計算時，總θ為兩個熱阻之和，即θJA = θJC + θCA。給定環(huán)境溫度TA、P和θ，即可算出TJ。根據(jù)圖中所示關(guān)系，要維持一個低的TJ，必須使θ或功耗(或者二者同時)較低。低ΔT是延長半導體壽命的關(guān)鍵，因為，低ΔT可以降低最大結(jié)溫。

在IC中，一個溫度參照點始終是器件的一個節(jié)點，即工作于給定封裝中的芯片內(nèi)部最熱的點。其他相關(guān)參照點為TC(器件)或TA(周圍空氣)。結(jié)果又引出了前面提到的各個熱阻，即θJC和θJA。

先來看看最簡單的情況，θJA為在給定器件的結(jié)與環(huán)境空氣之間測得的熱阻。該熱阻通常適用于小型、功耗相對較低的IC(如運算放大器)，其功耗往往為1W或以下。一般而言，對于8引腳DIP塑封或者更優(yōu)秀的SOIC封裝，運算放大器以及其他小型器件的典型θJA值處于90-100°C/W水平。

需要明確的是，這些熱阻在很大程度上取決于封裝，因為不同的材料擁有不同水平的導熱性。一般而言，導體的熱阻類似于電阻，銅最好，其次是鋁、鋼等。因此，銅引腳架構(gòu)封裝具有最高的性能，即最低的θ。