Application Report
ZHCA592 – January 2014
IC
的热特性
-
热阻
刘先锋
Seasat Liu
，秦小虎
Xiaohu Qin
肖昕
Jerry Xiao
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（
Θ
JA
、
Θ
JC
、
Θ
CA
）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½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½
电子器件及系统设计工程师½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½
1
2
3
4
5
引言
................................................................................................................................................ 2
热特性基础
..................................................................................................................................... 2
热阻
................................................................................................................................................ 2
常用热阻值
..................................................................................................................................... 5
有效散热的经验法则
....................................................................................................................... 6
5.1
选择合适的封装
...................................................................................................................... 6
5.2
½可½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½响散热路径，便于热½的扩散
.............................................................. 8
5.6
散热片的合理½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
总结
.............................................................................................................................................. 10
参考文献
....................................................................................................................................... 10
图表
图
1.
图
2.
图
3.
图
4.
图
5.
图
6.
图
7.
图
8.
图
9.
芯片热阻示意图
................................................................................................................. 3
JESD51
标准芯片热阻测量环境示意图
............................................................................... 4
TO-263
热阻模型图............................................................................................................
4
典型的
PCB
扩展热阻模型图
.............................................................................................. 5
ADS58C48
在不同温度和工½电压下的特性
....................................................................... 6
热阻和铜散热区面积的关系
................................................................................................ 7
功耗和铜散热区面积的关系
................................................................................................ 7
ADS62C17
建议过孔方案
................................................................................................... 8
BGA
芯片加散热片后热阻示意图
....................................................................................... 9
North China OEM Team
6
7
1
ZHCA592
1
引言
半导½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½时½会发热，热量的累积必定导致半导½结点温度的升高，随着结点温度的提高，半导½
元器件性½将会下降，甚至造成芯片损害。因此每个芯片厂家½会规定其半导元½器件的最大结
点温度。为了保证元器件的结温½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½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½保证芯片的结点温度不超过允许工½温度，因此就需要考虑芯片的散热问题，
½芯片可以工½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½的接触，将热
流从高温向½温传递，导热率越½的物½则导热性½越½，一般来说金属导热性½最½；对流是
通过物½的流动将热流带走，液½和气½的流速越快，则带走的热量越多；辐射不需要具½的中
间媒介，直接将热量发送出去，真空中效果更½。
热传导的
Fourier
定律
=
∁(∆)/
热对流的
Newton
定律
=
∁(∆)
3
热阻
其中,
, ½为导热系数，换热系数和发射率。C
为换热面积。
半导½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。
4
热辐射的定律：
= 5.67
−8
½∁(
ℎ
−
4
)
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½力的一个标准和½力。定义如下：
JX
=
−
公式
1
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½½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½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½会损坏。
2
IC
的热特性
-
热阻
ZHCA592
JC
是芯片
Die
表面到封装外壳的热阻，外壳可以看½是封装外表面的一个特定点。
JC
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，
JC
在外壳上的参考点½于塑料外壳延伸
出来的
1
管脚，在标准的塑料封装中，
JC
的测量½½在
1
管脚处。该值主要是用于评估散热片的
性½
。
注意
JC
表示的仅仅是散热通路到封装表面的电阻，因此
JC
总是小于
JA
。
JC
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
JA
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。
JA
是芯片
Die
表面到周围环境的热阻，单½是°C/W。周围环境通常被看½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½响可以½略。
JA
专指自然条件下
(没有加通风措½)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。
芯片热阻示意图
图
1.
CA
是指从芯片管壳到周围环境的热阻。
CA
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：
JA
=
JC
+
CA
JB
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½。
JB
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½。
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/辐射散。第三：芯片表面热量通过
Lead Frame
传递到
PCB
上散热。显然
JA
的值与外部环境密切相关。
Ψ
和
θ
之定义类似，½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½是°C/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。
IC
的热特性
-
热阻
3
ZHCA592
热阻的测量是以
JESD51
标准给出的，JEDEC
中定义的结构配½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½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½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½用的操½环境。
图
3.
TO-263
热阻模型图
JESD
是一套完整的标准。具½的标准可以参见相关½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 (Still
Air)
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
4
IC
的热特性
-
热阻
ZHCA592
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½的计算和理解
JA
，一些新的参数不断被引入，
CU
是
PCB
板上铜的热阻，
FR4
是典型
FR4
板材
PCB
的热阻，
VIA
是
PCB
板上过孔的热阻，
SA
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。
图
4.
名称
CU
值(ºC/W)
描述
铜平面热阻
公式
典型的
PCB
扩展热阻模型图
备注
单½面积（1cm^2），1 盎司铜厚
度为
0.0035cm，铜的热导率 λ
为
4W/(cm*ºC)。L
为长度，S 为面积
单½面积（1cm^2）FR4 厚度
12.6mil，FR4
热导率
λ
为
0.0023W/(cm*ºC)
过孔高度
65mil，0.5
盎司铜厚
0.00175cm，孔半径 6mil， L
为孔
长度，R 为过孔半径，l 为铜厚度
单½面积（1cm^2），自然散热，
热导率近似为
0.001W/(cm*ºC)
71.4
13.9
VIA
SA
FR4
FR4
板材热阻
过孔热阻
(12mil)
261
1000
PCB
到空气热
阻
1
∗
CU
=
1
∗
4
FR4
=
1
∗
VIA
=
[ −
(
− )
2
]
1
SA
=
ℎ
IC
的热特性
-
热阻
5
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