IC 的热特性-热阻

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。

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。

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：

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

ΘJA 是芯片Die 表面到周围环境的热阻，单位是℃/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。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

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(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