刘君恺
热阻值用于评估电子封装的散热效能，是热传设计中一个相当重要的参数，正确了解其物理意义以及使用方式对于电子产品的设计有很大的帮助，本文中详细介绍了热阻的定义、发展、以及量测方式，希望使工程设计人员对于热阻的观念以及量测方式有所了解，有助于电子产品的散热设计。
介绍
近年来由于电子产业的蓬勃发展，电子组件的发展趋势朝向高功能、高复杂性、大量生产及低成本的方向。组件的发热密度提升，伴随产生的发热问题也越来越严重，而产生的直接结果就是产品可靠度降低，因而热管理（thermal management）相关技术的发展也越来越重要【1】。电子组件热管理技术中最常用也是重要的评量参考是热阻（thermal resistance），以IC封装而言，最重要的参数是由芯片接面到固定位置的热阻，其定义如下： 热阻值一般常用?或是R表示，其中Tj为接面位置的温度，Tx为热传到某点位置的温度，P为输入的发热
功率。热阻大表示热不容易传递，因此组件所产生的温度就比较高，由热阻可以判断及预测组件的发热状况。电子系统产品设计时，为了预测及分析组件的温度，需要使用热阻值的数据，因而组件设计者则除了需提供良好散热设计产品，更需提供可靠的热阻数据供系统设计之用【2】。
对于遍布世界各地的设计及制造厂商而言，为了要能成功的结合在一起，必须在关键技术上设定工业标准。单就热管理技术而言，其中就牵涉了许多不同的软硬件制造厂商，因此需透过一些国际组织及联盟来订定相关技术标准。 本文中将就热阻的相关标准发展、物理意义及量测方式等相关问题作详细介绍，以使电子组件及系统设计者了解热阻相关的问题，并能正确的应用热阻值于组件及系统设计。螺线管
铸轧
封装热传标准与定义
在1980年代，封装的主要技术是利用穿孔（through hole）方式将组件安装于单面镀金属的主机板，IC组件的功率层级只有1W左右，在IC封装中唯一的散热增进方式是将导线架材料由低传导性的铁合金Alloy42改为高传导性的铜合金。
随着技术的提升，从1990年代开始，半导体及电子封装技术已经有了很大的进步，为了增加组装密度，组件的安装方式采用表面黏着(surface mount)技术，虽然机板采用更多电源层的多层铜箔的机板，黄集骧
然而所产生的热传问题却更为严重。为了增加封装的散热效能，开始将金属的散热片（heat spreader）插入封装之中。在1990年代晚期，BGA（Ball Grid Array）的封装型式开始发展，由于面数组的方式可容纳更多的锡球作为I/O，因此封装的体积大量缩小，而相对的机板的I/O线路也越来越小，使封装技术朝向更进一步的演进，产生的热传问题也较以往更为严重。
早期的电子热传工业标准主要是SEMI标准【3】，该标准定义了IC封装在自然对流、风洞及无限平板的测试环境下的测试标准。自1990年之后，JEDEC JC51委员会邀集厂商及专家开始发展新的热传工业标准，针对热管理方面提出多项的标准【4】，其中包含了已出版的部分、已提出的部分建议提出的部分，热管理相关标准整理成如图一之表格分布。和
SEMI 标准相比，虽然基本量测方式及原理相同，但内容更为完整，另外也针对一些定义做更清楚的说明【5】。
OVERVIEW JESD51
羊的传人
THERMAL
THERMAL
COMPONE
NT
DEVICE
THERMAL MEASUREME
NT
MEASUREME NT ENVIRONME NT MOUNTING CONSTRUCTI ON MODELIN G APPLICATION
Electrical Test Natural L ow
上海校讯通Effective Thermal Test
Chip Detailed Model Application of Method Convection Thermal Cond. Guideline
Guideline
Thermal Standards JESD51_1
JESD 51-2
Thermal Test Bd. (Wire Bond.) Guideline
JESD 51-3
JESD51-4
Infrared Test
Forced Hi Effective Thermal Test Chip Submerged Detail Jet
Impingeme
nt Specification
Method
Convection Thermal Cond. Guideline
Conduction Mode
Guidelines for
JESD51-2
Thermal Test Bd.
Flip Chip DCA Validation
Method
Package
JESD51-7
Manufactures
Test Method
Heat Sink
Area Array Dual Cold Plate
Specification Implementation Junction-to- Thermal Test Bd. Conduction Model Guideline for for Active Die
Case JESD 51-9
Validation Method PCB Tolerance
Verification Transient Test PCB Direct Attach Compact Model Method
Junction to- Thermal Test Bd. Guideline
Board JESD 51-5
JESD51-8
T hermocouple Through Hole Measurement Thermal Test Bd. Guideline
Array and DIL.
Interface Chip Size Package Measurement Direct Chip Attach Method Thermal Test Bd
Standard Published Standard Proposed
(In committee work group) Standard Suggested
图一 JEDEC JC15.1 会议订定之已发表标准、提出之标准及建议之标准
SEMI 的标准中定义了两种热阻值，即Tja 及Tjc ，其中T j a 是量测在自然对流或强制对流条件下从芯片接面到大气中的热传，如图二（a ）所示。由于量测是在标准规范的条件下去做，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，此值可用于比较封装散热的容易与否，用于定性的比较，Tjc 是指热由芯片接面传到IC 封装外壳的热阻，如图二（b ），在量测时需接触一等温面。该值主要是用于评估散热片的性能。
随着封装型式的改变，在新的JEDEC标准中增加了Tjb、?jt、?jb等几个定义，其中Tjb 为在几乎全部
热由芯片接面传到测试板的环境下，由芯片接面到测试板上的热阻，如图二（c）所示，该值可用于评估PCB的热传效能。?jx为热传特性参数，其定义如下
中央民族大学图书馆
和T之定义类似，但不同之处是?是指在大部分的热量传递的状况下，而T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?之定义比较符合实际系统的量测状况。?jt是指部分的热由芯片接面传到封装上方外壳，如图二（d）所示，该定义可用于实际系统产品由IC封装外表面温度预测芯片接面温度。?jb和Tjb类似，但是是指在自然对流以及风洞环境下由芯片接面传到下方测试板部分热传时所产生的热阻，可用于由板温去预测接面温度。
虽然标准下之各种热阻量测值可应用于实际系统产品之温度预测，但是实际应用时仍然有很大的限制。使用标准的Tja、Tjb、?jt、?jb等量测参数于系统产品的温度预测时，需注意标准测试条件所用的测试板尺寸、铜箔层及含铜量，也应注意量测时所采用的自然对流及风洞环境和实际系统的差别为何。
大致上来说，由实验量测之热阻值或是热传参数的主要用途是做为IC封装散热效能的定性比较，也就是不论由哪家封装厂封装，只要符合标准方式，就可以比较其散热状况，对于封
装散热设计或热传状况有很大的帮助。另外就是实验量测之值也可做为数值模拟的验证及简化之用。
热阻量测方法介绍
由于一般IC封装时芯片接面会被封装材料盖住，而无法直接量测芯片工作时其接面发热的温度，因此热阻量测所采用的方式一般是利用组件的电性特性来量测，例如芯片上的二极管或晶体管的温度及电压特性。电性连接的方式如图三所示【6】，以二极管而言，由于其顺向偏压和温度会呈线性关系，因此可用来做为温度敏感参数(Temperature Sensitive parameter)。由于一般实际的芯片上并不一定有容易量测的二极管接脚，再加上许多封装需在封装实际芯片之前就要量测封装之热阻值，因此大部分是采用热测试芯片（thermal test chip）来进行封装的热阻量测如图四所示【6】。热测试芯片的制造目前已有许多厂商的产品可供利用，其一般的设计标准在SEMI 320-96、JEDEC JESD51-4以及MIL8
83等标准中有详细的介绍，一般的热测试芯片中包括了温度感应组件、加热用电阻以及用来连接的金属垫，有的芯片之间有桥之设计，可使芯片做不同面积之组合，图五为两种热传测试芯片。
图三 利用组件中二极管测试的实验【6】
图四 利用热测试芯片测试的实验【6】
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议