一些有关热阻的基本知识

时间：10-02 整理：3721RD 点击：

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

热对流的Newton定律

热辐射的定律：

其中为导热系数，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：

公式1

热阻值一般常用表示，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。

图 1. 芯片热阻示意图

_JA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。_JA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。_JA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。

_JC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。_JC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，_JC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，_JC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_JC表示的仅仅是散热通路到封装表面的热阻，因此_JC总是小于_JA。_JC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_JA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。

_CA是指从芯片管壳到周围环境的热阻。_CA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：_JA =_JC + _CA

_JB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。_JB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（Mold 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_JA 的值与外部环境密切相关。

热阻的测量是以JEDEC（固态技术协会）国际组织定义的JESD51标准给出的，定义中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

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

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.

JESD51-12: Guidelines for Reporting and Using Electronic Package Thermal Information.

4 常用热阻值¹

为了更好的计算和理解_JA ，一些新的参数不断被引入，_CU 是PCB板上铜的热阻，_FR4 是典型FR4板材PCB的热阻，_VIA 是PCB板上过孔的热阻，_SA 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
_CU	71.4	铜平面热阻		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
_FR4	13.9	FR4板材热阻		单位面积（1cm^2）FR4厚度12.6mil，FR4热导率λ为0.0023W/(cm*ºC)
_VIA	261	过孔热阻(12mil)		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
_SA	1000	PCB到空气热阻		单位面积（1cm^2），自然散热，热导率近似为0.001W/(cm*ºC)

5 有效散热的经验法则

散热对芯片而言是非常重要的，下图以ADS58C48为例，说明了在不同的温度下，芯片（高速ADC为例）的性能会有不同的表现，在高温下性能往往恶化。因此在设计系统时必须高度关注芯片的工作温度，轻者会影响系统的性能，重者可能会造成芯片损坏。