IC 的热特性-热阻

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电流电压得到它的功耗即可得出实际的热阻参数。

5.2 尽可能大面积的PCB 覆铜

对提高散热性能来说，PCB 的表层和底层是理想的散热空间。更大的PCB，其可用于热传导的面积也就越大，同时也拥有更大灵活性，应在高功耗器件之间留有充分的空间。一般情况下，接地层铜的面积较大，能为PCB 散热提供极好的热通路。使用宽的导线甚至铜平面，在远离高功耗器件的地方布线，可以为散热提供高效的热通路。

为了进一步说明，我们选TPS75825(TO-263)作为例子。其中，平均输入电压是3.3V 下，平均输出电压为2.5V，平均输出电流为3A，环境温度55℃，空气流量为150 LFM和操作环境是相同的，如下文所述。忽略静态电流后，最大的平均功率：PDmax = (3.3 -2.5) V * 3A =2.4W

根据公式1 可知，ΘJA=(125-55)/2.4W=29℃/W

从下图可知，ΘJA 与铜散热面积对比，接地层需要2 平方厘米的面积去消散2.4W 的能量。

图6. 热阻和铜散热区面积的关系

如果已知ΘJA，则从公式1 中可以推出，该ΘJA 值下，不同PCB 面积对应的不同最大耗散功率。

图7. 功耗和铜散热区面积的关系

5.3 增加铜厚度

PCB 的铜厚度增加，系统组件的热性能也就越高。铜平面，典型1 盎司铜的单位面积(1cm2)热阻=71.4 ºC/W。在允许的范围内，建议使用更重的铜平面，可以有效的降低热阻。当采用2 盎司铜的时候，单位面积的热阻就降低为：=35ºC/W

5.4 用散热焊盘和过孔将多层PCB 连接

合理安排PCB 多层的堆叠关系和布线，也会增加用于热传导的铜的总比重。芯片下方的PCB 上的散热过孔有助于热量进入到PCB 内部各层，并传导至电路板的背部。

一般情况下，热焊盘都是接地焊盘，因此内部接地层和表面接地层是最常用的最方便的散热平面。典型的半盎司铜厚的12mil 的过孔的热阻是261ºC/W。因此在热焊盘下面用尽可能多的过孔形成矩阵。这些过孔尽可能的连接多的PCB 铜层，可以有效的进行散热，将大大提高散热效率。

以ADS62C17 为例，手册上为大家提供了参考的过孔设计方案。允许在热焊盘下面以1mm为间隔，铺设49 个过孔，通过过孔和接地层连接在一起。7*7 的矩阵的过孔的热阻约为：261/49=5.33 ºC/W。

图8. ADS62C17 建议过孔方案

5.5 合理的散热结构，不影响散热路径，便于热能的扩散

合理的PCB 散热布局可以有效的促进散热效率。PCB 板上的高散热器件应彼此分开，这种高散热器件的物理间隔可让每个器件的PCB 散热面积最大化，从而加快散热。发散元件周围尽量不要放高大元件，影响散热;从散热的角度，PCB 垂直放置时，散热的效果更好。此时建议将高散热器件放到PCB 的上端。

5.6 散热片的合理使用

专用导热散热片是芯片散热的一种极好方法。散热片一般位于与芯片相连的PCB 背部或芯片的顶部，并通过合适的界面导热材料与散热源连接。为了实现最优的性能，散热片最好连接到热阻阻抗低的路径上。

图9. BGA 芯片加散热片后热阻示意图

5.7 选取合适的截面导热材料

芯片和散热器间的热界面材料层是高功耗器件封装中热流的最大障碍。选择合适的材料来填充芯片和散热器间的界面对半导体器件的性能和可靠性都十分重要。界面材料通过填充气孔和密贴接合面不光滑表面形貌来降低发热和散热单元间接合面的接触热阻。

5.8 机箱散热

条件允许情况下，利用机箱散热是很好的方案。可以在机箱的底部，顶部开窗，充分利用烟囱效应形成气流散热;利用机箱内部风扇散热也是很好的方法。

5.9 不要在散热走线上覆阻焊层

阻焊层的作用是避免在焊接过程中焊料无序流动而导致焊盘引线之间桥接短路。在设计中有大功率器件需要通过电路板散热时也可以在阻焊层上开窗，以增加散热PCB 的面积。

6 总结

对于任何一个有效的设计，热设计都是必须要考虑的，应该在出现问题之前就充分考虑，减少出错的可能性。本文详细描述了标准封装的热特性的一些主要参数：热阻(ΘJA、ΘJC、ΘCA)等参数，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的相关原理及应用，以解决器件及系统过热问题。

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