Application Report
ZHCA592 – January 2014
1
刘先锋Seasat Liu ，秦小虎 Xiaohu Qin 肖昕 Jerry Xiao
North China OEM Team
摘要
IC 封装的热特性对IC 应用和可靠性是非常重要的参数。本文详细描述了标准封装的热特性 主要参数：热阻（ΘJA 、ΘJC 、ΘCA ）等参数。本文就热阻相关标准的发展、物理意义及测量方式
等相关问题作详细介绍，并提出了在实际系统中热计算和热管理的一些经验方法。希望使
电子器件及系统设计工程师能明了热阻值的相关原理及应用，以解决器件及系统过热问题。
目录
摇臂
1
引言 ................................................................................................................................................ 2 2
热特性基础 ..................................................................................................................................... 2 3
热阻 ................................................................................................................................................ 2 4 常用热阻值 ..................................................................................................................................... 5 5 有效散热的经验法则 .. (6) 5.1 选择合适的封装 (6)
5.2 尽可能大面积的PCB 覆铜 (6)
5.3 增加铜厚度 (8)
5.4 用散热焊盘和过孔将多层PCB 连接 (8)
5.5 合理的散热结构，不影响散热路径，便于热能的扩散 (8)
5.6 散热片的合理使用 (9)
5.7 选取合适的截面导热材料 (9)
5.8 机箱散热 (9)
5.9 不要在散热走线上覆阻焊层 (10)
6 总结 (10)
7
参考文献 (10)
图表
图 1.
芯片热阻示意图 ................................................................................................................. 3 图 2. JESD51标准芯片热阻测量环境示意图 ............................................................................... 4 图 3.
灰度矩阵
TO-263 热阻模型图............................................................................................................ 4 图 4.
典型的PCB 扩展热阻模型图 .............................................................................................. 5 图 5.
ADS58C48在不同温度和工作电压下的特性 ....................................................................... 6 图 6.
热阻和铜散热区面积的关系 ................................................................................................ 7 图 7.
功耗和铜散热区面积的关系 ................................................................................................ 7 图 8.
ADS62C17建议过孔方案 ................................................................................................... 8 图 9.
BGA 芯片加散热片后热阻示意图 (9)
ZHCA592
2 IC 的热特性-热阻
1 引言
半导体技术按照摩尔定理不断的发展，集成电路的密度越来越高，尺寸越来越小。所有集成电路在工
作时都会发热，热量的累积必定导致半导体结点温度的升高，随着结点温度的提高，半导体元器件性能将会下降，甚至造成芯片损害。因此每个芯片厂家都会规定其半导元体器件的最大结点温度。为了保证元器件的结温低于最大允许温度，经由封装进行的从IC 自身到周围环境的有效散热就至关重要。在普通数字电路中，由于低速电路的功耗较小，在正常的散热条件下，芯片的温升不会太大，所以不用考虑芯片的散热问题。而在高速电路中，芯片的功耗较大，在自然条件下的散热已经不能保证芯片的结点温度不超过允许工作温度，因此就需要考虑芯片的散热问题，使芯片可以工作在正常的温度范围之内。
2 热特性基础
在通常条件下，热量的传递通过传导、对流、辐射三种方式进行。传导是通过物体的接触，将热流从高温向低温传递，导热率越好的物体则导热性能越好，一般来说金属导热性能最好；对流是通过物体的流动将热流带走，液体和气体的流速越快，则带走的热量越多；辐射不需要具体的中间媒介，直接将热量发送出去，真空中效果更好。
热传导的Fourier 定律 Q =ε∁(∆T )/δ
热对流的Newton 定律 Q =α∁(∆T )
热辐射的定律：Q =5.67e −8β∁(T ℎ4−T c 4) 其中ε,α,β为导热系数，换热系数和发射率。C 为换热面积。
3 热阻
半导体器件热量主要是通过三个路径散发出去：封装顶部到空气，封装底部到电路板和封装引脚到电路板。
电子器件散热中最常用的，也是最重要的一个参数就是热阻（Thermal Resistance ）。热阻是描述物质热传导特性的一个重要指标。以集成电路为例，热阻是衡量封装将管芯产生的热量传导至电路板或周围环境的能力的一个标准和能力。定义如下：
θJX =T j −T x P 公式1 热阻值一般常用θ表示，其中Tj 为芯片Die 表面的温度（结温），Tx 为热传导到某目标点位置的温度，P 为输入的发热功率。电子设计中，如果电流流过电阻就会产生压差。同理，如果热量流经热阻就会产生温差。热阻大表示热不容易传导，因此器件所产生的温度就比较高，由热阻可以判断及预测器件的发热状况。通常情况下，芯片的结温升高，芯片的寿命会减少，故障率也增高。在温度超过芯片给定的额定最高结温时，芯片就可能会损坏。
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IC 的热特性-热阻 3
图 1. 芯片热阻示意图 θJA 是芯片Die 表面到周围环境的热阻，单位是°C/W 。周围环境通常被看作热“地”点。θJA 取决于IC 封装、电路板、空气流通、辐射和系统特性，通常辐射的影响可以忽略。θJA 专指自然条件下(没有加通风措施)的数值。由于测量是在标准规范的条件下测试，因此对于不同
的基板设计以及环境条件就会有不同的结果，因此此值可以用于比较封装散热的容易与否，用于定性的比较。 θJC 是芯片Die 表面到封装外壳的热阻，外壳可以看作是封装外表面的一个特定点。θJC 取决于封装材料(引线框架、模塑材料、管芯粘接材料)和特定的封装设计(管芯厚度、裸焊盘、内部散热过孔、所用金属材料的热传导率)。对带有引脚的封装来说，θJC 在外壳上的参考点位于塑料外壳延伸出来的1管脚，在标准的塑料封装中，θJC 的测量位置在1管脚处。该值主要是用于评估散热片的性能。
注意θJC 表示的仅仅是散热通路到封装表面的电阻，因此θJC 总是小于θJA 。θJC 表示是特定的、通过传导方式进行热传递的散热通路的热阻，而θJA 则表示的是通过传导、对流、辐射等方式进行热传递的散热通路的热阻。
θCA 是指从芯片管壳到周围环境的热阻。θCA 包括从封装外表面到周围环境的所有散热通路的热阻。根据上面给出的定义，我们可以知道：θJA =θJC + θCA
风湿油θJB 是指从芯片表面到电路板的热阻，它对芯片Die 表面到电路板的热通路进行了量化，可用于评估PCB 的传热效能。θJB 包括来自两个方面的热阻：从芯片Die 表面到封装底部参考点的热阻，以及贯穿封装底部的电路板的热阻。该值可用于评估PCB 的热传效能。
从这里，我们可以看出，热量的传递主要有三条路径，第一：芯片Die 表面的热量通过封装材料（Mol
d Compound ）传导到器件表面然后通过对流散热/辐射散到周围，第二：是从芯片Die 表面到焊盘，然后由连接到焊盘的印刷电路板进行对流/辐射散。第三：芯片表面热量通过Lead Frame 传递到PCB 上散热。显然θJA 的值与外部环境密切相关。
Ψ和θ之定义类似，但不同之处是Ψ是指在大部分的热量传递的状况下，而θ是指全部的热量传递。在实际的电子系统散热时，热会由封装的上下甚至周围传出，而不一定会由单一方向传递，因此Ψ之定义比较符合实际系统的量测状况。
φJB 是芯片Die 表面到电路板的热特性参数，单位是°C/W ，热特性参数与热阻是不同的。相对于热阻θJB 测量时的直接单通路不同，φJB 测量的元件功率通量是基于多条热通路的。由于这些φJB 的热通路中包括封装顶部的热对流，因此更加便于用户的应用。
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4 IC 的热特性-热阻
热阻的测量是以JESD51标准给出的，JEDEC 中定义的结构配置不是实际应用中的典型系统反映，而是为了保持一致性和标准性，采用标准化的热分析和热测量方法。这有助于对比不同封装变化的热性能指标。其标准环境是指将器件安装在较大的印刷电路板上，并置于1立方英尺的静止空气中。因此说明书中的数值实际上是一个系统级别的参数。
图 2. JESD51标准芯片热阻测量环境示意图 以TO263为例，它包括一个标准的JEDEC 高K 板（2S2P ）与1盎司内部铜平面和接地平面。该封装是焊接到一个2盎司铜焊盘上。这个底盘是通过导热孔联到1盎司接地层。下图的侧视图中显示出的计算机模型中使用的操作环境。
图 3. TO-263 热阻模型图
出货管理系统JESD 是一套完整的标准。具体的标准可以参见相关网站。
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
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IC 的热特性-热阻 5 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. 4 常用热阻值¹
mum-147为了更好的计算和理解θJA ，一些新的参数不断被引入，θCU 是PCB 板上铜的热阻，θFR4 是典型FR4板材PCB 的热阻，θVIA 是PCB 板上过孔的热阻，θSA 是PCB 板表面到周围空气的热阻。下图是一个典型的PCB 扩展热阻模型。
图 4.
典型的PCB 扩展热阻模型图
名称 值(ºC/W) 描述
公式 备注 θCU 71.4 铜平面热阻 θCU =1λCU ∗L S 单位面积（1cm^2），1盎司铜厚度为0.0035cm ，铜的热导率λ为4W/(cm*ºC)。L 为长度，S 为面积 θFR4 13.9 FR4板材热阻 θFR4=1λFR4∗L S 单位面积（1cm^2）FR4厚度12.6mil ，FR4热导率λ为0.0023W/(cm*ºC) θVIA 261 过孔热阻(12mil) θVIA =1λCU ∗L π[R −(R −l )2] 过孔高度65mil ，0.5盎司铜厚0.00175cm ，孔半径6mil ， L 为孔长度，R 为过孔半径，l 为铜厚度
空包弹助退器
θSA 1000 PCB 到空气热阻
θSA =1ℎS 单位面积（1cm^2），自然散热，
热导率近似为0.001W/(cm*ºC)
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