IC 的热特性-热阻

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。JB是芯片Die 表面到电路板的热特性参数，单位是℃/W，热特性参数与热阻是不同的。相对于热阻JB 测量时的直接单通路不同，JB测量的元件功率通量是基于多条热通路的。由于这些JB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。

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

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 (StillAir)

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.

4 常用热阻值¹

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。

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。

图5. ADS58C48 在不同温度和工作电压下的特性

5.1 选择合适的封装

从芯片手册上可以知道封装的热阻，然后可根据给定的耗散功率和环境温度估算芯片的工作结温。我们可以考虑一个简单例子(以ADS58C48 为例)，器件的AVDD 和DRVDD 均为1.8V，典型供电电流分别为：290mA 和207mA。最大容许结温为125℃。

功耗可以表示为：P=V*I=AVDD*Iavdd+DRVDD*Idrvdd=0.522+0.373=0.895W

结温JA=24℃/W，设备工作在散热不良的密闭空间，环境温度为75℃。估算结温如下：

Tj=75+0.895*24=75+21.8=96.8℃

这个估算温度远远小于最大的结温温度，所以器件不会出现过热问题。

过程看上去很简单，但实际上很复杂。对于具体的IC，ΘJA 值与PCB 板的尺寸、散热方式(风冷还是自然冷却)、板的层数、每层板的铜的厚度以及芯片周边是否存在别的发热量很高的器件相关。通常我们可以根据热成像图片做实际热阻计算：比如根据热成像图片得到该器件的最高发热区域并且读出温度变化，然后根据在该芯片上的