IC封裝的熱特性參數說明

摘要：IC封裝的熱特性對於IC應用的性能和可靠性來說是非常關鍵的。本文描述了標準封裝的熱特性：熱阻(用“theta”或Θ表示)，ΘJA、ΘJC、ΘCA，並提供了熱計算、熱參考等熱管理技術的詳細資訊

為確保產品的高可靠性，在選擇IC封裝時應考慮其熱管理指標。所有IC在有功耗時都會發熱，為了保證器件的結溫低於最大允許溫度，經由封裝進行的從IC到周圍環境的有效散熱十分重要。本文有助於設計人員和客戶理解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。本文還提供了熱計算公式和數據，以便能夠得到正確的結(管芯)溫度、管殼(封裝)溫度和電路板溫度。

熱阻的重要性

半導體熱管理技術涉及到熱阻，熱阻是描述物質熱傳導特性的一個重要指標。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生的熱量傳導至電路板或周圍環境的能力的一個標準。給出不同兩點的溫度，則從其中一點到另外一點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，則根據給出的功耗和參考溫度即可算出IC的結溫。

定義

以下章節給出了Theta (Θ)、Psi (Ψ)的定義，這些標準參數用來表示IC封裝的熱特性

ΘJA是結到周圍環境的熱阻，單位是°C/W。周圍環境通常被看作熱“地”點。ΘJA取決於IC封裝、電路板、空氣流通、輻射和系統特性，通常輻射的影響可以忽略。 ΘJA專指自然條件下(沒有加通風措施)的數值。

ΘJC是結到管殼的熱阻，管殼可以看作是封裝外表面的一個特定點。 ΘJC取決於封裝材料(引線框架、模塑材料、管芯粘接材料) 和特定的封裝設計(管芯厚度、裸焊盤、內部散熱過孔、所用金屬材料的熱傳導率)。

 

對帶有引腳的封裝來說，ΘJC在管殼上的參考點位於塑膠外殼延伸出來的1管腳，在標準的塑膠封裝中，ΘJC的測量位置在1管腳處。對於帶有裸焊盤的封裝，ΘJC的測量位置在裸焊盤表面的中心點。ΘJC的測量是通過將封裝直接放置於一個“無限吸熱”的裝置上進行的，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。這種測量方法設定從管芯到封裝表面的熱傳遞全部由傳導的方式進行。

 

注意ΘJC表示的僅僅是散熱通路到封裝表面的電阻，因此ΘJC總是小於ΘJA。ΘJC表示是特定的、通過傳導方式進行熱傳遞的散熱通路的熱阻，而ΘJA則表示的是通過傳導、對流、輻射等方式進行熱傳遞的散熱通路的熱阻。

ΘCA是指從管殼到周圍環境的熱阻。ΘCA包括從封裝外表面到周圍環境的所有散熱通路的熱阻。

 

根據上面給出的定義，我們可以知道：Θ_JA = Θ_JC + Θ_CA

ΘJB是指從結到電路板的熱阻，它對結到電路板的熱通路進行了量化。通常ΘJB的測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於1mm)。ΘJB包括來自兩個方面的熱阻：從IC的結到封裝底部參考點的熱阻，以及貫穿封裝底部的電路板的熱阻。

測量ΘJB時，首先阻斷封裝表面的熱對流，並且在電路板距封裝位置較遠的一側安裝一個散熱片。如下圖1所示：

圖1. ΘJB的測量過程示意圖

Ψ_JB是結到電路板的熱特性參數，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與熱阻是不同的。與熱阻Θ_JB測量中的直接單通路不同，Ψ_JB測量的元件功率通量是基於多條熱通路的。由於這些Ψ_JB的熱通路中包括封裝頂部的熱對流，因此更加便於用戶的應用。關於Ψ_JB參數的更多詳細說明請參考JEDEC標準的JESD51-8和JESD51-12部分。

設計者可以通過熱量建模或直接測量的方式確定Θ_JB和Ψ_JB的值。對上述任意一種方式，參見下面的步驟：

1. 將功耗控制在適合Θ_JB或Ψ_JB的範圍內。
2. 測定管芯溫度，通常用一個晶片上的二極體來實現。
3. 測定在距封裝邊緣小於1mm處的PCB溫度。
4. 測定功耗。

Ψ_JT是衡量結溫和封裝頂部溫度之間的溫度變化的特徵參數。當封裝頂部溫度和功耗已知時，Ψ_JT有助於估算結溫。

熱計算

結溫

T_J = T_A + (Θ_JA × P)

其中：
T_{J=結溫
TA=周圍環境溫度
P=功耗，單位為W}

T_J也可用Ψ_JB或Ψ_JT的值來計算，如：

T_J = T_B + (Ψ_JB × P)

其中：
T_B = 距離封裝小於1mm處的電路板溫度

T_J = T_T + (Ψ_JT × P)

其中：
T_T = 在封裝頂部的中心處測得的溫度。

注意：產品資料資料給出了每個器件所允許的最大結溫。

最大允許功耗

P_max = (T_J-max - T_A) / Θ_JA

Maxim產品中列出的最大允許功率是在環境溫度為+70°C和最大允許結溫為+150°C的條件下給出的。

降額係數

該係數描述了在環境溫度高於+70°C時，每升高1°C所應降低的功耗值，單位為mW/°C。

降額係數 = P / (T_J - T_A)

其中：
T_A的典型值為+70°C (商用)。

T_J是最大允許結溫，典型值為+150°C。

為了得到在環境溫度超過+70°C時(例如，對於擴展溫度範圍的+85°C)的最大允許功率，可通過下面公式進行計算：

P_max85C = P_max70C - (降額係數 × (85 - 70))

熱特性及測試條件

IC封裝的熱特性必須採用符合JEDEC標準的方法和設備進行測量。在不同的特定應用電路板上的熱特性具有不同的結果。據瞭解JEDEC中定義的結構配置不是實際應用中的典型系統反映，而是為了保持一致性，應用了標準化的熱分析和熱測量方法。這有助於對比不同封裝變化的熱性能指標。

JEDEC規範可在這裡得到：JEDEC。注意JEDEC標準涵蓋了不同的熱應用場合。

JEDEC正式名稱

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多層熱測試電路板規範JESD51-7摘要

High Effective Thermal Conductivity Test Board for Leaded Surface Mount Packages

JESD51-7規範中描述的熱測試電路板非常適合Maxim IC的應用。