PDF《IC 的热特性-热阻》

Application Report ZHCA592 C January

2014 1 IC 的热特性-热阻 刘先锋 Seasat Liu,秦小虎 Xiaohu Qin 肖昕 Jerry Xiao North China OEM Team 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. 目录

1 引言.2

2 热特性基础

2 3 热阻.2

4 常用热阻值

5 5 有效散热的经验法则.6 5.1 选择合适的封装

6 5.2 尽可能大面积的 PCB 覆铜

6 5.3 增加铜厚度

8 5.4 用散热焊盘和过孔将多层 PCB 连接.8 5.5 合理的散热结构,不影响散热路径,便于热能的扩散.8 5.6 散热片的合理使用.9 5.7 选取合适的截面导热材料

9 5.8 机箱散热.9 5.9 不要在散热走线上覆阻焊层.10

6 总结.10

7 参考文献.10

图表 图1. 芯片热阻示意图

3 图2. JESD51 标准芯片热阻测量环境示意图

4 图3. TO-263 热阻模型图.4 图4. 典型的 PCB 扩展热阻模型图

5 图5. ADS58C48 在不同温度和工作电压下的特性

6 图6. 热阻和铜散热区面积的关系.7 图7. 功耗和铜散热区面积的关系.7 图8. ADS62C17 建议过孔方案

8 图9. BGA 芯片加散热片后热阻示意图

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2 IC 的热特性-热阻

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:? = 5.67??8 ??(??

4 ? ??

4 ) 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: ?JX = ????? ? 公式