IC封装的热特性-热阻
芯片封装的热阻分析
芯⽚封装的热阻分析概述半导体器件散热的三个主要途径是:封装顶部到空⽓，或者封装顶部到散热⽚再到空⽓封装底部到电路板封装引脚到电路板在JEDEC中以热阻Theta来表⽰，其中ThetaJA参数综合了Die的⼤⼩, 封装⽅式，填充材料，封装材料，引脚设计，外部散热⽚和外部电路板的属性多个因素；ThetaJC和ThetaJB这2个参数是表征芯⽚和封装本⾝的，不会随着芯⽚封装外部环境的改变⽽改变。
关于芯⽚外部温度的趣事半导体元器件"烫⼿"未必不正常，55C摄⽒温度就会让⼈感觉发烫，很多⼤功率的芯⽚，表⾯温度可以达到85C摄⽒度以上。
对于Thermal测量的⼏个参数的困惑JEDEC对芯⽚封装的热性能参数的定义热阻参数ThetaJA，结到空⽓环境的热阻，= (Tj-Ta)/PThetaJC，结到封装外壳的热阻，= (Tj-Tc)/P, ⼀般⽽⾔是到封装顶部的热阻，所以⼀般的，ThetaJC = ThetaJTThetaJB，结到PCB的热阻， = (Tj-Tb)/P热特性参数PsiJT，结到封装顶部的热参数，=(Tj-Tt)/PPsiJB, 结到封装底部的热参数，=(Tj-Tb)/P其中:Tj - 芯⽚结温Ta - 芯⽚环境温度Tb - 芯⽚底部的表⾯温度Tc/Tt - 芯⽚顶部的表⾯温度按照JESD测量⽅法得出的ThetaJA热阻参数是对封装的品质度量，并⾮是application specific的热阻参数，只能是芯⽚封装的热性能品质参数的⽐较，不能应⽤于实际测量和分析中的结温预测。
PsiJT和PsiJB和ThetaXX参数不同，并⾮是器件的热阻值，只是数学构造物。
ThetaJA 结到空⽓环境的热阻ThetaJA是最常使⽤的热阻参数，也是最容易引起误解的参数。
IDT公司的定义ThetaJA = (Tj - Ta)/PThetaJA = (ThetaJB + ThetaBA) || (ThetaJC + ThetaCA);其中ThetaXY = (Tx - Ty)/PAltera公司的定义Without a heat sink, ThetaJA = ThetaJC + ThetaCA = (Tj - Ta)/PWith a heat sink , ThetaJA = ThetaJC + ThetaCS + ThetaSA = (Tj - Ta)/P实际上，Altera公司对加散热器的ThetaJA的定义不够严谨，散热器的引⼊相当于增加了⼀个散热通道，即增加了从管壳(Case)到散热器(heat Sink)的散热通道，所以加⼊散热器后，ThetaJA(heat sink) = ThetaJC + ( ThetaCA || ( ThetaCS + ThetaSA) )由于ThetaCA >> (ThetaCS + ThetaSA), 所以上式才可以近似化简为:ThetaJA = ThetaJC + ThetaCS + ThetaSA, 其中ThetaCS通常是导热硅脂或者硅胶, 热阻⾮常⼩TI公司的定义根据TI⽂档spra953c的描述, JESD定义ThetaJA的初衷是为了⼀种封装的相对热阻性能可以被互相⽐较，⽐如TI公司的某个芯⽚的热阻性能和其它公司的热阻性能做对⽐，前提是两家公司都是⽤JESD51-x中规定的标准⽅法来做测试，但是⼤部分芯⽚的热阻系数不会严格按照JESD51中规定的标准⽅法进⾏测量。
ams1117热阻参数
ams1117热阻参数
AMS1117是一种线性稳压器，常用于电子电路中对电压进行稳定的应用。
热阻参数是指该芯片的热阻特性，即在芯片工作时，芯片内部产生的热量与芯片外部环境之间的热传导阻力。
根据AMS1117的规格手册，它的热阻参数为：
TO-252封装（也称为DPAK封装）：θJA = 65°C/W
SOT-223封装：θJA = 100°C/W
其中，θJA表示芯片到环境的热阻，单位为°C/W。
这个数值表示每瓦特的功耗在芯片内部产生的温升与芯片外部环境之间的温度差。
例如，对于TO-252封装的AMS1117芯片，如果其功耗为1瓦特，则芯片内部温度将比环境温度高65°C。
需要注意的是，这些热阻参数是在特定的测试条件下测量得到的，实际应用中可能会因为环境条件、散热设计等因素而有所不同。
因此，在具体应用中，建议根据实际情况进行热设计和散热方案的选择。
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关于热阻
Ver.2010-05-07
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关于热阻
[最大容许功率 Pd] IC 在常温(25℃以下)时的最大容许损失是用各 IC 的绝对最大定额消耗功率(Pd)来规定的。 环境温度超过 25℃时，就需变为对应各 IC 封装的热下降曲线(Derating Curve)。 以下显示的是一般的热下降曲线。
Pd [mW]
17
905
17
1110
17
1110
17
111017
1175
5
1815
10
1815
Tj:150℃ Pd
(mW) 420 830 1135 1315 1920 1665 1470 1190 1785 1920 1135 1385 1385 1385 1560 1560 1470 2270 2270
EMP8 EMP14 EMP8-E2 EMP16-E2 DMP8 DMP14 DMP16 DMP20 DMP24 SDMP30 HSOP82) SOP22 SOP28 SOP40 SOT891)2) TO2521)2) PCSP12-C3 PCSP20-CC PCSP20-E3 PCSP24-ED PCSP32-F7 PCSP32-G32) PCSP32-GD2)
VH
IM
VF
VF0
VFSS
图 6 测量电路图
注）VH 是在最大保存温度（Tstg-max）左右和前后各 3 点来设定的值。
[热阻计算] 根据表 2 可以算出θja 和Ψjt。
表 2 热阻的计算公式
热阻计算公式
[θja 计算公式]
θja = ΔTj = K × ΔVF VH × IH VH × IH
[℃／Ｗ]
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芯片发烧怎么办-热阻及散热【应用材料】
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2.热阻的计算及应用
②在设计初考虑热阻 设计阶段，可通知计算热阻来确定芯片是否适用或者是 否需要额外的措施散热。
如：使用1117LDO,输入5V,输出3.3V,电流200mA;判 断 是 否 肴荷题
注意：PCB基材的热膨胀系数跟铜伯最好一致
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3.影响芯片温度的其它因素
⑦PCB布局 热元件靠上放 热元件分开放 PCB垂直放时比平放散热效果好
优化前布局
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优化后布局
丿
3.影响芯片温度的其它因素
⑧机箱散热 在机箱/机器后壳的底部，顶部开窗，可利用烟囱 效应形成气流散热； 发散元件上方尽量不要放高大元件，影响散热； 利用风扇散热； 电视机两侧开孔作用不大；
系统进风口的面积大小按下式计算： S=Q/(7.4X105HX At15)...................................................(1) s-通风口而积的大小，cm2 Q-机柜内总的散热量，W
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H-机柜的高度，cm A t=t2-t,一内部空气温度％与外部空气温度t,之差，°C
3.影响芯片温度的其它因素
⑨常用的仿真软件 Fluent公司开发的IcePAK Flomerics公 司 开 发 的 Flotherm
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3. 得到准确的Qja后，可以有效的计算不同使用情况 下的结温，温升等数据。
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3.影响芯片温度的其它因素
①芯片的封装，工艺，材料变化都有影响，如:
Thermal Resistance (No Heatsink)
to247 封装材料 热阻
to247 封装材料热阻摘要：1.引言2.to247 封装材料简介3.热阻的概念及作用4.to247 封装材料中的热阻应用5.热阻对封装性能的影响6.总结正文：1.引言随着科技的不断发展，封装技术在电子行业中占据着越来越重要的地位。
其中，to247 封装材料广泛应用于功率器件、集成电路等领域。
热阻作为影响封装性能的关键因素之一，值得我们深入探讨。
2.to247 封装材料简介to247 是一种常见的封装材料，主要用于半导体器件的封装。
它具有良好的导热性能、电气绝缘性能和机械强度，能有效保护芯片，提高器件的可靠性和稳定性。
3.热阻的概念及作用热阻是指在热传导过程中，由于材料本身的性质或界面间接触不良等原因，导致热量传递受阻的现象。
在to247 封装材料中，热阻主要起到限制热量传递的作用，防止器件因过热而损坏。
4.to247 封装材料中的热阻应用在to247 封装材料中，热阻通常通过在材料中添加导热填料或改变材料本身的结构来实现。
这些措施可以有效地提高封装材料的导热性能，降低热阻，从而提高器件的工作稳定性和使用寿命。
5.热阻对封装性能的影响热阻对封装性能的影响主要表现在以下几个方面：（1）影响器件的工作稳定性：热阻会导致器件内部热量积累，当热量达到一定程度时，可能引发器件失效。
（2）影响器件的使用寿命：热阻会导致器件在长时间工作过程中，因过热而加速老化，从而降低器件的使用寿命。
（3）影响封装材料的导热性能：热阻会降低封装材料的导热性能，导致热量传递不充分，影响器件的工作效率。
6.总结热阻是影响to247 封装材料性能的关键因素之一。
通过合理的设计和工艺改进，可以有效地降低热阻，提高器件的工作稳定性和使用寿命。
芯片封装热阻
芯片封装热阻芯片封装热阻是指芯片在运行过程中产生的热量与环境之间的热阻，它对芯片的正常工作和长寿命起着至关重要的作用。
在现代电子产品中，芯片的功率密度越来越高，因此芯片的散热问题也变得越来越突出。
为了解决芯片的散热问题，封装技术被广泛应用。
封装是将芯片安装在特定的封装基板上，并通过封装材料将其与散热器等散热设备连接起来。
封装材料的热导率和散热器的设计都会对芯片的散热效果产生重要影响。
在芯片封装中，热阻是一个重要的参数。
它描述了芯片与散热器之间的热阻，即单位面积上的温度差与单位功率之间的比值。
热阻越小，芯片的散热效果就越好。
因此，在芯片封装设计中，降低热阻是一个关键的目标。
为了降低芯片封装的热阻，设计人员可以采取多种措施。
首先，选择合适的封装材料非常重要。
封装材料应具有较高的热导率和较低的热阻，以便快速将芯片的热量传导到散热器上。
其次，设计合理的散热器结构也是很重要的。
散热器应具有较大的表面积和较好的散热性能，以便有效地将芯片的热量散发到周围环境中。
芯片封装的热阻还受到环境温度的影响。
环境温度越高，芯片的散热效果就越差。
因此，在实际应用中，需要根据环境温度的变化来调整芯片封装的设计和散热装置的选择，以保证芯片的正常工作。
芯片封装热阻是影响芯片散热效果的重要因素。
通过选择合适的封装材料、设计合理的散热器结构和根据环境温度的变化进行调整，可以有效降低芯片封装的热阻，保证芯片的正常工作和长寿命。
在未来的发展中，随着芯片功率密度的进一步提高，芯片封装的热阻问题将变得更加重要，需要不断进行研究和创新，以满足日益增长的散热需求。
IC 封装热阻的定义与量测技术
IC封装热阻的定义与量测技术刘君恺热阻值用于评估电子封装的散热效能，是热传设计中一个相当重要的参数，正确了解其物理意义以及使用方式对于电子产品的设计有很大的帮助，本文中详细介绍了热阻的定义、发展、以及量测方式，希望使工程设计人员对于热阻的观念以及量测方式有所了解，有助于电子产品的散热设计。
介绍近年来由于电子产业的蓬勃发展，电子组件的发展趋势朝向高功能、高复杂性、大量生产及低成本的方向。
组件的发热密度提升，伴随产生的发热问题也越来越严重，而产生的直接结果就是产品可靠度降低，因而热管理（thermal management）相关技术的发展也越来越重要【1】。
电子组件热管理技术中最常用也是重要的评量参考是热阻（thermal resistance），以IC封装而言，最重要的参数是由芯片接面到固定位置的热阻，其定义如下：热阻值一般常用?或是R表示，其中Tj为接面位置的温度，Tx为热传到某点位置的温度，P为输入的发热功率。
热阻大表示热不容易传递，因此组件所产生的温度就比较高，由热阻可以判断及预测组件的发热状况。
电子系统产品设计时，为了预测及分析组件的温度，需要使用热阻值的数据，因而组件设计者则除了需提供良好散热设计产品，更需提供可靠的热阻数据供系统设计之用【2】。
对于遍布世界各地的设计及制造厂商而言，为了要能成功的结合在一起，必须在关键技术上设定工业标准。
单就热管理技术而言，其中就牵涉了许多不同的软硬件制造厂商，因此需透过一些国际组织及联盟来订定相关技术标准。
本文中将就热阻的相关标准发展、物理意义及量测方式等相关问题作详细介绍，以使电子组件及系统设计者了解热阻相关的问题，并能正确的应用热阻值于组件及系统设计。
封装热传标准与定义在1980年代，封装的主要技术是利用穿孔（through hole）方式将组件安装于单面镀金属的主机板，IC组件的功率层级只有1W左右，在IC封装中唯一的散热增进方式是将导线架材料由低传导性的铁合金Alloy42改为高传导性的铜合金。
LDO 热阻
当今电子发展，芯片占据着重要的地位。随着芯片尺寸的减小，发热量变得 越来越大，对芯片的功耗要求也越来越高，这样就对芯片的温度控制提出更高的 要求。
热阻就是用来评估芯片散热效果的参数，在实际电子应用中，能够有效地应 用这个参数，会对产品的性能有很大提升。
本文将以 LDO 为例，介绍热阻的定义、测量方法以及应用方法，希望能够帮 助研发设计人员理解掌握并且能对电子产品做出合理的设计。
一、定义：
我们所说的芯片的热阻通常是指从芯片的结到固定位置的热阻，其定义如 下：
其中θ为热阻的符号，此公式中表示从 Junction 到 Location 的热阻，也就 是从芯片的结到固定位置的热阻。
TJ 为结的温度 TL 为固定位置的温度 P 为芯片的损耗功率
热阻的大小表示芯片散热的难易，如果热阻较大，那么芯片就较不容易传递 热量，这样芯片的结温也较高。
SEMI320-96、JEDEC JESD51-4 以及 MIL883 等标准中有详细的介绍，一般的热测 试芯片中包括了温度感应元件、加热用电阻以及用来连接的金属垫，有的芯片之 间有电桥设计，可使芯片做不同面积的组合，图 3 是两种热传递测试芯片。
图 3 两种不同的热测试芯片设计 (a)Delco (b)IMECPTCA
图8
θJB 量测 θJB 是指在几乎全部的热由芯片的结传到测试板的情况下，从结到测试板的
热阻，它的量测在 JEDEC51-8 中有详细的记录，需利用环形冷板，将测试板及封 装夹于中间，利用水冷的方式冷却铜板，使测试板温度降低，如图 9 所示。
图9
冷板夹到测试板的焊接线路上，离接脚最小 5mm 的距离，将热电偶焊接在封 装接脚来量测板温，封装及测试板的正上下面则以绝缘材料阻隔热散失，需要注 意夹持的力量大小。量测时首先需要量测封装的 K 因子，再将测试板及封装夹入 环形冷板中，等温度达到平衡，量测板温及 TSP 值之变化，利用下式算出热阻值。
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IC封装的热特性摘要：IC封装的热特性对于IC应用的性能和可靠性来说是非常关键的。
本文描述了标准封装的热特性：热阻(用“theta”或Θ表示)，ΘJA、ΘJC、ΘCA，并提供了热计算、热参考等热管理技术的详细信息。
引言为确保产品的高可靠性，在选择IC封装时应考虑其热管理指标。
所有IC在有功耗时都会发热，为了保证器件的结温低于最大允许温度，经由封装进行的从IC到周围环境的有效散热十分重要。
本文有助于设计人员和客户理解IC热管理的基本概念。
在讨论封装的热传导能力时，会从热阻和各“theta”值代表的含义入手，定义热特性的重要参数。
本文还提供了热计算公式和数据，以便能够得到正确的结(管芯)温度、管壳(封装)温度和电路板温度。
结温-PN结度热阻的重要性半导体热管理技术涉及到热阻，热阻是描述物质热传导特性的一个重要指标。
计算时，热阻用“Theta”表示，是由希腊语中“热”的拼写“thermos”衍生而来。
热阻对我们来说特别重要。
IC封装的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。
给出不同两点的温度，则从其中一点到另外一点的热流量大小完全由热阻决定。
如果已知一个IC封装的热阻，则根据给出的功耗和参考温度即可算出IC的结温。
Maxim网站(制造商、布线、产品、QA/可靠性、采购信息)中给出了常用的IC热阻值。
定义以下章节给出了Theta (Θ)、Psi (Ψ)的定义，这些标准参数用来表示IC封装的热特性。
ΘJA是结到周围环境的热阻，单位是°C/W。
周围环境通常被看作热“地”点。
ΘJA取决于IC封装、电路板、空气流通、辐射和系统特性，通常辐射的影响可以忽略。
ΘJA专指自然条件下(没有加通风措施)的数值。
ΘJC是结到管壳的热阻，管壳可以看作是封装外表面的一个特定点。
ΘJC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，ΘJC在管壳上的参考点位于塑料外壳延伸出来的1管脚，在标准的塑料封装中，ΘJC的测量位置在1管脚处。
对于带有裸焊盘的封装，ΘJC的测量位置在裸焊盘表面的中心点。
ΘJC的测量是通过将封装直接放置于一个“无限吸热”的装置上进行的，该装置通常是一个液冷却的铜片，能够在无热阻的情况下吸收任意多少的热量。
这种测量方法设定从管芯到封装表面的热传递全部由传导的方式进行。
注意ΘJC表示的仅仅是散热通路到封装表面的电阻，因此ΘJC总是小于ΘJA。
ΘJC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ΘJA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。
ΘCA是指从管壳到周围环境的热阻。
ΘCA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：ΘJA= ΘJC+ ΘCAΘJB是指从结到电路板的热阻，它对结到电路板的热通路进行了量化。
通常ΘJB的测量位置在电路板上靠近封装的1管脚处(与封装边沿的距离小于1mm)。
ΘJB包括来自两个方面的热阻：从IC的结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。
测量ΘJB时，首先阻断封装表面的热对流，并且在电路板距封装位置较远的一侧安装一个散热片。
如下图1所示：图1. ΘJB的测量过程示意图ΨJB是结到电路板的热特性参数，单位是°C/W。
文章JESD51-12–Guidelines for Reporting and Using Package Thermal Information，明确指出热特性参数与热阻是不同的。
与热阻ΘJB测量中的直接单通路不同，ΨJB测量的元件功率通量是基于多条热通路的。
由于这些ΨJB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。
关于ΨJB 参数的更多详细说明请参考JEDEC标准的JESD51-8和JESD51-12部分。
设计者可以通过热量建模或直接测量的方式确定ΘJB和ΨJB的值。
对上述任意一种方式，参见下面的步骤：1.将功耗控制在适合ΘJB或ΨJB的范围内。
2.测定管芯温度，通常用一个芯片上的二极管来实现。
3.测定在距封装边缘小于1mm处的PCB温度。
4.测定功耗。
ΨJT是衡量结温和封装顶部温度之间的温度变化的特征参数。
当封装顶部温度和功耗已知时，ΨJT有助于估算结温。
热计算结温T J = T A+ (ΘJA × P)其中：T J= 结温T A= 周围环境温度P = 功耗，单位为WT J也可用ΨJB或ΨJT的值来计算，如：T J = T B+ (ΨJB × P)其中：T B = 距离封装小于1mm处的电路板温度T J = T T+ (ΨJT × P)其中：T T = 在封装顶部的中心处测得的温度。
注意：产品数据资料给出了每个器件所允许的最大结温。
最大允许功耗P max = (T J-max - T A) / ΘJAMaxim产品中列出的最大允许功率是在环境温度为+70°C和最大允许结温为+150°C的条件下给出的。
降额系数该系数描述了在环境温度高于+70°C时，每升高1°C所应降低的功耗值，单位为mW/°C。
降额系数= P / (T J - T A)其中：T A的典型值为+70°C (商用)。
T J是最大允许结温，典型值为+150°C。
为了得到在环境温度超过+70°C时(例如，对于扩展温度范围的+85°C)的最大允许功率，可通过下面公式进行计算：P max85C = P max70C - (降额系数× (85 - 70))热特性及测试条件IC封装的热特性必须采用符合JEDEC标准的方法和设备进行测量。
在不同的特定应用电路板上的热特性具有不同的结果。
据了解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，应用了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。
JEDEC规范可在这里得到：JEDEC。
注意JEDEC标准涵盖了不同的热应用场合。
JEDEC规范名称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 PackagesJESD51-4: Thermal Test Chip Guideline (Wire Bond Type Chip)JESD51-5: Extension of Thermal Test Board Standards for Packages with Direct Thermal Attachment MechanismsJESD51-6: Integrated Circuit Thermal Test Method Environmental Conditions—Forced Convection (Moving Air)JESD51-7: High Effective Thermal Conductivity Test Board for Leaded Surface Mount PackagesJESD51-8: Integrated Circuit Thermal Test Method Environmental Conditions—Junction-to-Board JESD51-9: Test Boards for Area Array Surface Mount Package Thermal MeasurementsJESD51-10: Test Boards for Through-Hole Perimeter Leaded Package Thermal Measurements. JEDEC51-12: Guidelines for Reporting and Using Electronic Package Thermal Information.JEDEC多层热测试电路板规范JESD51-7摘要High Effective Thermal Conductivity Test Board for Leaded Surface Mount PackagesJESD51-7规范中描述的热测试电路板非常适合Maxim IC的应用。
材质：FR-4板层：两个信号层(顶层和底层)和两个中间层。
成品板厚：1.60 ±16mm金属厚度：•顶层和底层：2盎司铜(成品厚度0.070mm)•两个中间层：1盎司铜(成品厚度0.035mm)介质层厚度：0.25mm到0.50mm板尺寸：76.20mm x 114.30mm ±0.25mm (对于某一边小于27mm的封装)。
元件层的布线测试设备放在电路板中心位置，并根据此进行布线。
走线从封装本体向外延伸至少25mm。
对于引脚间距为0.5mm 或更大的封装，线宽应为0.25 ±10%，对引脚间距更小的封装来说，线宽应与引脚宽度相等。
走线类型和走线端接规范在JESD51-7中有详细的说明。
底层的布线器件层端接到通孔的布线可以通过走线或线缆(22 AWG或更小的铜线)连接到边缘连接器。
JESD51-7规范中详细列出了不同线宽对应的电流限度。
除通孔隔离布线模式外，电源和地平面应当保持完整，且与边缘连接器的距离应当大于9.5mm。
带裸焊盘的封装对于带裸焊盘(EP)的封装(如QFN封装，DFN封装(双列扁平无外伸引脚)，EP-TQFP封装)，其热特性中非常重要的一点是裸焊盘焊点下方的散热过孔的设计。
在典型的热特性电路板设计中，会有一个包含4个、9个或16个通孔的阵列，就近连接到地平面上。
通孔数量超过25个以后，散热改进基本趋于平缓，不会再有显著的改善。
理解电路板上的散热通孔与系统热特性之间的对应关系是十分重要的。