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。

1.概述

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。

其中𝜀, 𝛼, 𝛽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：

热阻值一般常用𝜃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位置的温度， 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，芯片的寿命会减少，故障率也增高。在温度超过芯片给定的额定最高结温时，芯片就可能会损坏。

𝜃JA是芯片 Die 表面到周围环境的热阻，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。 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。

𝜃JC是芯片 Die 表面到封装外壳的热阻， 外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在外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。 该值主要是用于评估散热片的性能。

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 是指从芯片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 + 𝜃CA

𝜃JB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 的传热效能。 𝜃JB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 的热传效能。

热阻的测量是以 JESD51 标准给出的， 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能指标。 其标准环境是指将器件安装在较大的印刷电路板上，并置于 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。

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使用的操作环境。

4.常用的热阻值

为了更好的计算和理解𝜃JA ，一些新的参数不断被引入， 𝜃CU 是 PCB 板上铜的热阻， 𝜃FR4 是典型FR4 板材 PCB 的热阻， 𝜃VIA 是 PCB 板上过孔的热阻， 𝜃SA 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。

5.有效散热的经验法则

散热对芯片而言是非常重要的，下图以 ADS58C48 为例，说明了在不同的温度下， 芯片（高速ADC 为例） 的性能会有不同的表现，在高温下性能往往恶化。 因此在设计系统时必须高度关注芯片的工作温度，轻者会影响系统的性能，重者可能会造成芯片损坏。

5.1选择合适的封装

从芯片手册上可以知道封装的热阻，然后可根据给定的耗散功率和环境温度估算芯片的工作结温。我们可以考虑一个简单例子（以 ADS58C48 为例），器件的 AVDD 和 DRVDD 均为 1.8V，典型供电电流分别为： 290mA 和 207mA。最大容许结温为 125°C。

结温𝜃JA=24°C/W，设备工作在散热不良的密闭空间，环境温度为 75°C。估算结温如下：

这个估算温度远远小于最大的结温温度，所以器件不会出现过热问题。

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

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。

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。

5.3增加铜厚

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。

5.5结构散热

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。

5.7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。