IC封裝的熱特性-熱阻

1、IC封裝的熱特性摘要：C封裝的熱特性對于C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0表示9，Oja、0兀、ca，并提供了熱計算、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封裝時應(yīng)考慮其熱管理指標(biāo)。所有IC在有功耗時都會發(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，會從熱阻和各“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

2、板溫度。結(jié)溫-PN結(jié)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)特性的一個重要指標(biāo)。計算時，熱阻用Theta表示，是由希臘語中熱的拼寫“thermos衍生而來。熱阻對我們來說特別重要。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（0）、Psi（屮）的定義，這些標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)用來表示IC封裝的熱

3、特性。0ja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)。0JA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。0JA專指自然條件下（沒有加通風(fēng)措施）的數(shù)值。0兀是結(jié)到管殼的熱阻，管殼可以看作是封裝外表面的一個特定點(diǎn)。0JC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（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）。對帶有引腳的封裝來說，0JC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，0JC的測量位置在1管腳處。對于帶有裸焊盤的封裝，0JC的測量位置在裸焊盤表面的中心點(diǎn)。0JC的測量是通過將封裝

4、直接放置于一個無限吸熱的裝置上進(jìn)行的，該裝置通常是一個液冷卻的銅片，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0JC表示的僅僅是散熱通路到封裝表面的電阻，因此0JC總是小于0JA。0JC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0JA則表示的是通過傳導(dǎo)、對流、輻射等方式進(jìn)行熱傳遞的散熱通路的熱阻。eCA是指從管殼到周圍環(huán)境的熱阻。0CA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：JA=eJCCAeJB是指從結(jié)到電路板的熱阻，它對結(jié)到電路板的熱通路進(jìn)行了量化。通常0JB的測量位置在

5、電路板上靠近封裝的i管腳處（與封裝邊沿的距離小于1mm）。0JB包括來自兩個方面的熱阻：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。測量0JB時，首先阻斷封裝表面的熱對流，并且在電路板距封裝位置較遠(yuǎn)的一側(cè)安裝一個散熱片。如下圖1所示:JEDECTHETA-JBCONFIGURATION(REFERTOJESD51-S)BOARDTLVIP圖1.OJB的測量過程示意圖屮是結(jié)到電路板的熱特性參數(shù)單位是C/W。文章JESD51-12-GuidelinesforReportingandUsingPackageThermalInformation,明確指出熱特性參數(shù)與熱阻是不同的。

6、與熱阻0JB測量中的直接單通路不同，屮JB測量的元件功率通量是基于多條熱通路的。由于這些屮JB的熱通路中包括封裝頂部的熱對流，因此更加便于用戶的應(yīng)用。關(guān)于屮JB參數(shù)的更多詳細(xì)說明請參考JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的JESD51-8和JESD51-12部分。設(shè)計者可以通過熱量建模或直接測量的方式確定0JB和屮JB的值。對上述任意一種方式，參見下面的步驟：將功耗控制在適合0JB或屮JB的范圍內(nèi)。測定管芯溫度，通常用一個芯片上的二極管來實(shí)現(xiàn)。測定在距封裝邊緣小于1mm處的PCB溫度。測定功耗。屮JT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，屮JT有助于估算結(jié)溫。熱計算結(jié)溫Tj=

7、Ta+（jaXP）其中：TJ=結(jié)溫TA=周圍環(huán)境溫度P=功耗，單位為WTJ也可用屮JB或屮JT的值來計算，如：Tj=Tb+唇*P）其中：TB=距離封裝小于1mm處的電路板溫度TJ=Tt+（巧tXP）其中：tt=在封裝頂部的中心處測得的溫度。注意：產(chǎn)品數(shù)據(jù)資料給出了每個器件所允許的最大結(jié)溫。最大允許功耗Pmax(TJ-max-TA)/JAMaxim產(chǎn)品中列出的最大允許功率是在環(huán)境溫度為+70C和最大允許結(jié)溫為+150C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+70C時，每升高1C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+70C（商用）。TJ是最

8、大允許結(jié)溫，典型值為+150C。為了得到在環(huán)境溫度超過+70C時（例如，對于擴(kuò)展溫度范圍的+85C）的最大允許功率，可通過下面公式進(jìn)行計算：Pmax85C=Pmax70C-（降額系數(shù)X（85-70）熱特性及測試條件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)化的熱分析和熱測量方法。這有助于對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)用場合。JEDEC規(guī)范名稱JESD51:Met

9、hodologyfortheThermalMeasurementofComponentPackages(SingleSemiconductorDevice)JESD51-1:IntegratedCircuitThermalMeasurementMethodElectricalTestMethod(SingleSemiconductorDevice)JESD51-2:IntegratedCircuitThermalTestMethodEnvironmentalConditionsNaturalConvection(StillAir)JESD51-3:LowEffectiveThermalCond

10、uctivityTestBoardforLeadedSurfaceMountPackagesJESD51-4:ThermalTestChipGuideline(WireBondTypeChip)JESD51-5:ExtensionofThermalTestBoardStandardsforPackageswithDirectThermalAttachmentMechanismsJESD51-6:IntegratedCircuitThermalTestMethodEnvironmentalConditionsForcedConvection(MovingAir)JESD51-7:HighEffe

11、ctiveThermalConductivityTestBoardforLeadedSurfaceMountPackagesJESD51-8:IntegratedCircuitThermalTestMethodEnvironmentalConditionsJunction-to-BoardJESD51-9:TestBoardsforAreaArraySurfaceMountPackageThermalMeasurementsJESD51-10:TestBoardsforThrough-HolePerimeterLeadedPackageThermalMeasurements.JEDEC51-1

12、2:GuidelinesforReportingandUsingElectronicPackageThermalInformation.JEDEC多層熱測試電路板規(guī)范JESD51-7摘要HighEffectiveThermalConductivityTestBoardforLeadedSurfaceMountPackagesJESD51-7規(guī)范中描述的熱測試電路板非常適合MaximIC的應(yīng)用。材質(zhì)：FR-4板層：兩個信號層（頂層和底層）和兩個中間層。成品板厚:1.6016mm頂層和底層：2盎司銅（成品厚度0.070mm）兩個中間層：1盎司銅（成品厚度0.035mm）介質(zhì)層厚度:0.25mm到0

13、.50mm板尺寸:76.20mmx114.30mm0.25mm（對于某一邊小于27mm的封裝）。元件層的布線測試設(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。對于引腳間距為0.5mm或更大的封裝，線寬應(yīng)為0.2510%，對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（22AWG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

14、的封裝對于帶裸焊盤（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。在典型的熱特性電路板設(shè)計中，會有一個包含4個、9個或16個通孔的陣列，就近連接到地平面上。通孔數(shù)量超過25個以后，散熱改進(jìn)基本趨于平緩，不會再有顯著的改善。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)計請參見JESD51-5。焊接覆蓋率用戶焊接電路板時，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，將會由于未連接到散熱通孔而對熱阻產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。熱建模采用FLOTHERM和其它