封裝的熱特性對于IC應用的性能和可靠性至關重要。本文介紹標準的熱封裝特性：熱阻（稱為“θ”或 Θ）、ΘJA、ΘJC 和 ΘCA。提供了熱計算和有關熱管理的更多信息的參考。

介紹

在選擇封裝時應考慮熱管理，以確保高產品可靠性。所有IC在通電時都會產生熱量。因此，為了將器件的結溫保持在允許的最大值以下，從IC通過封裝到環境的有效熱流至關重要。本文可幫助設計人員和客戶了解基本的IC熱管理概念。在討論封裝傳熱時，它定義了熱表征的重要術語，從熱阻及其各種“θ”表示開始。本文還提供了熱計算和數據，以確保正確的結（芯片）、外殼（封裝）和電路板溫度。

熱阻的重要性

半導體的熱管理涉及熱阻，這是描述材料傳熱特性的重要品質因數。在計算中，熱阻被識別為“Theta”，源自希臘語中的熱“熱水瓶”。我們特別感興趣的是熱阻。

IC封裝的熱阻是衡量封裝將IC（芯片）產生的熱量傳遞到電路板或環境的能力的指標。給定兩點的溫度，從一個點到另一個點的熱流量完全由熱阻決定。通過了解封裝的熱阻，可以計算給定功耗下的IC結溫及其參考溫度。

定義

以下部分定義了 Theta （Θ） 和 Psi （Ψ），這是 IC 封裝熱表征中使用的標準術語。

ΘJA是從結點到環境的熱阻，測量單位為°C/W。 環境被視為熱“接地”。 ΘJA取決于封裝、電路板、氣流、輻射和系統特性。一般來說，輻射的影響可以忽略不計。ΘJA值僅針對自然慣例條件（無強制空氣）列出。

ΘJC是從結到外殼的熱阻。外殼是包裝外表面上的指定點。ΘJC取決于封裝材料（引線框架、模塑料、芯片粘接粘合劑）和特定的封裝設計（芯片厚度、裸露焊盤、內部熱通孔和所用金屬的導熱性）。

對于引線封裝，ΘJC 外殼上的參考點是引腳 1 從塑料中出現的位置。對于標準塑料封裝，ΘJC 在引腳 1 的拐角處測量。它是在裸焊盤封裝的裸焊盤表面的中心測量的。The Θ杰克通過將封裝直接連接到“無限散熱器”來完成測量，“無限散熱器”通常是液冷銅塊，可以吸收任何數量的熱流而沒有熱阻。測量表示純粹通過傳導將熱量從芯片傳遞到封裝表面。

注意 Θ杰克僅考慮到封裝表面的熱流路徑的阻力。因此，ΘJC 始終小于 ΘJA.因此，ΘJC 代表特定的、導電的熱路徑熱阻，而 ΘJA表示傳導、對流和輻射熱路。

ΘCA是從外殼到環境的熱阻。ΘCA包括從封裝外部到環境的所有熱路徑的熱阻。

鑒于上述定義，我們看到：

ΘJA = ΘJC + ΘCA

ΘJB是從結到電路板的熱阻。Θ新山量化結到板熱路徑，通常在靠近引腳1（距離封裝邊緣1mm<<>mm）附近的電路板上進行測量。Θ新山包括來自兩個來源的熱阻：從IC的結點到封裝底部的參考點，以及通過封裝下方的電路板。

測量 ΘJB，來自封裝頂部的對流被阻擋，并且冷板附著在與封裝位置相對的電路板遠側。請參見下面的圖 1。

圖1.θ JB 測量過程圖示。

ΨJB是結到板熱特性參數，以°C/W為單位進行測量。JESD51-12《封裝熱信息報告和使用指南》闡明了熱特性參數與熱阻不同。相反，ΨJB測量流經多個熱路徑而不是單個直接路徑的組件功率，如熱阻，ΘJB.因此，ΨJB熱路徑包括來自封裝頂部的對流，這一事實使ΨJB對客戶應用更有用。

設計人員可以確定 ΘJB和 ΨJB通過熱建模或直接測量的值。在任一情況下，請按照以下步驟操作：

控制適合 ΘJB 或 ΨJB 的功耗條件。

確定芯片溫度，通常使用片上二極管。

確定距離封裝邊緣 < 1mm 處的 PCB 溫度。

確定功耗。

ΨJT是測量結溫與封裝頂部溫度之間的溫度變化的表征參數。ΨJT可用于在已知封裝頂部溫度和功耗時估算結溫。

熱計算

結溫

TJ = 結溫
TA= 環境溫度，以及
P = 功耗（瓦特）

TJ 也可以通過使用 ΨJB 或 ΨJT 值作為來計算。TJ = TB + （ΨJB × P）

其中：

TB = 在封裝 1mm 范圍內測得的電路板溫度

TJ = TT + （ΨJT × P）

其中：

TT = 在封裝頂部中心測量的溫度。

注意：產品數據手冊規定了每個器件的最大允許結溫。

最大允許功耗

Pmax = (TJ-max - TA) / ΘJA

Maxim列出的最大允許功率假設環境溫度為+70°C，最大允許結溫為+150°C。

減額功能

此功能描述在+70°C以上每°C環境溫度下必須降低多少功耗。 減額函數以 mW/°C 表示。

減額函數= P / (TJ - TA)

其中：

TA 通常為 +70°C（商用）

和：

TJ是最高允許結溫，通常為+150°C。

要找到環境溫度高于 +70°C 時的最大允許功率（例如，擴展溫度范圍內的 +85°C），請執行以下操作：

Pmax85C = Pmax70C - (Deration Function × (85 - 70))

熱表征和測量條件

IC封裝的熱性能必須使用JEDEC標準的方法和設備進行測量。使用特定應用的電路板進行表征可能會產生不同的結果。還可以理解，JEDEC 定義的配置并不代表典型的實際系統。相反，JEDEC 配置允許標準化的熱分析和測量以保持一致性;它們對于比較封裝變化之間的熱品質因數最有用。

JEDEC 規范標題

JESD51：元件封裝的熱測量方法（單半導體器件）

JESD51-1：集成電路熱測量方法—電氣測試方法（單半導體器件）

JESD51-2： 集成電路熱測試方法環境條件—自然對流（靜止空氣）

JESD51-3： 用于引線表面貼裝封裝的低效導熱測試板

JESD51-4：熱測試芯片指南（引線鍵合型芯片）

JESD51-5：直接熱連接機制封裝熱測試板標準的擴展

JESD51-6：集成電路熱測試方法環境條件—強制對流（流動空氣）

JESD51-7： 用于引線表面貼裝封裝的高效導熱測試板

JESD51-8：集成電路熱測試方法環境條件—結到板

JESD51-9： 面陣表面貼裝封裝熱測量測試板

JESD51-10： 用于通孔周界引線封裝熱測量的測試板

JEDEC51-12：報告和使用電子封裝熱信息指南

JEDEC 散熱多層測試板規范 JESD51-7 摘要

用于引線表面貼裝封裝的高效導熱測試板

JESD51-7規范中描述的熱測試板最適合Maxim IC應用。

材料：FR-4

層：兩個信號（正面和背面）和兩個平面（內部）

成品厚度：1.60±0.16毫米

金屬厚度：

正面和背面：2oz銅（0.070mm成品厚度）

兩個內部平面：1盎司銅（0.035mm成品厚度）

介電層厚度：0.25毫米至0.50毫米

電路板尺寸：76.20mm x 114.30mm ±0.25mm，適用于側面小于27mm的封裝

組件側跡線設計

走線的布局應使測試設備在電路板上居中。走線必須從封裝主體邊緣延伸至少 25 毫米。對于 0.25mm 或更大間距封裝，走線寬度應為 10.0 ±5%。對于間距較細的封裝，走線寬度應等于引線寬度。走線模式和走線端接要求在JESD51-7中規定。

背面走線設計

端接通孔的元件側走線可以通過走線或電線（22 AWG 或更小的銅線）連接到邊緣連接器。JESD51-7規定了不同導線尺寸的電流限值。

電源和接地層必須不間斷，但通孔隔離間隙模式除外。平面不得出現在邊緣連接器圖案的 9.5mm 范圍內。

裸焊盤封裝

裸焊盤 （EP） 封裝（如 QFN、DFN（雙扁平封裝無引線）和 EP-TQFP）對熱性能的一個關鍵要求是裸焊盤焊點下的熱通孔設計。在典型的熱特性板設計中，有 4、9 或 16 個熱通孔陣列連接到最近的接地層。熱改善在 25 個過孔以上變得漸近。了解電路板熱通孔與系統熱性能之間的直接關系至關重要。請參考JESD51-5，了解裸焊盤封裝的電路板設計增強功能。

焊料覆蓋范圍

當客戶表征他們的電路板焊接工藝時，他們應該以焊點覆蓋率達到 90% 或更高的目標。當焊點空隙接近50%或更多時，由此產生的熱通孔斷開將對熱阻產生災難性影響。

熱建模

FLOTHERM 和其他熱分析軟件程序可實現準確的封裝和系統熱預測。當適當的熱模型與經驗數據相結合時，用戶可以高度確信結果準確反映了實際應用。

電氣設計工具（如PSPICE或Cadence工具）可用于制作封裝的簡單熱模型。封裝元件表示為電阻器網絡中連接到電路板的電阻器。當確認封裝模型與經驗數據一致時，該模型可用于預測封裝變化，包括：芯片尺寸、裸焊盤尺寸、熔絲引線或連接到平面的接地數。這些“假設”模型可以相當準確地預測自定義配置。

審核編輯：郭婷