半导体和集成电路封装热度量

应用报告ZHCA543B–December2003–RevisedJuly2012半半导导体体和和集集成成电电路路(IC)封封装装热热度度量量DarvinEdwards摘摘要要很多针对半导体和集成电路(IC)封装的热度量的范围介于θja至Ψjt之间。通常情况下，这些热度量被很多用户错误的应用于估计他们系统中的结温。本文档描述了传统和全新的热度量，并将它们应用于系统级结温估算方面。内内容容1Theta-ja(θja)结至环境和Theta-jma(θjma)结至流动空气...............................................................22Theta-jc(θjc)结至外壳......................................................................................................53封装的Psi-jt(Ψjt)结至顶部................................................................................................74Theta-jb(θjb)结至电路板...................................................................................................95Psi-jb(Ψjb)：结至电路板..................................................................................................116工业应用和商用温度范围.................................................................................................117混合定义....................................................................................................................118参考书目....................................................................................................................12图图片片列列表表1对于多种封装，1s与2s2pPCB之间的关系............................................................................32芯片尺寸对CSP的影响....................................................................................................43J/A与引脚到基板距离间的关系...........................................................................................44纯铜冷却盘测量过程........................................................................................................65结至电路板电阻..............................................................................................................96热传导电阻.................................................................................................................107θjb测量方法.................................................................................................................11图图表表列列表表1对于一个指定封装外形尺寸内，影响θja的因数。.......................................................................22倍增因数......................................................................................................................53针对典型128薄型四方扁平(TQFP)封装的Ψjt.........................................................................8Alltrademarksarethepropertyoftheirrespectiveowners.1ZHCA543B–December2003–RevisedJuly2012半导体和集成电路(IC)封装热度量SPRA953—版权©2003–2012,TexasInstrumentsIncorporated()TTPowerjunctionambientja=+q´Theta-ja(θja)结至环境和Theta-jma(θjma)结至流动空气(θja)结结至至环环境境和和Theta-jma(θjma)结结至至流流动动空空气气结至环境热阻，θja，是最常见的报告的热度量，它也是最经常被误用的。θja是安装在特定测试试件上IC封装散热性能的度量。θja的目的是给出一个封装的相对散热性能可与之进行比较的度量值。因此，TI器件的散热性能可以与其他公司生产的器件相比较。当两家公司使用标准化测试来测量θja时，这是可行的，JEDEC在EIA/JESD51系列文档中具体说明了此类测试。然而，有时并未遵循JEDEC条件，并且对于标准的偏离也未记录在案。这些测试变化会对θja的测得值产生很大的影响。因此，除非使用θja值来公布测试条件，否则这些测试条件值得怀疑。使用以下步骤来执行θja测量（总结自EIA/JESD51-1）：Step1.一个部件，通常是一个安装在测试版上的集成电路(IC)封装，此封装包含一个能够耗散功率并测量最大芯片温度。Step2.测试芯片的温度感测组件被校准。Step3.封装/测试版/系统被放置在一个不通风(θja)或空气流通(θma)环境中。Step4.一个已知功率在测试芯片内耗散。Step5.在达到稳定状态后，结温被测量。Step6.已测得的环境温度与测得的结温之间的差异被计算出来，并除以耗散的功率，从而得出一个以°C/W为单位的θja值。1.1使使用用方方法法很不幸的是，θja常常被系统设计人员用来估算他们系统中所使用的器件的结温。这个等式通常被认为可有效地根据θja来计算结温：(1)这是θja热参数的误用，这是因为θja是一个并不专属于封装的可变函数，它也是诸如已安装部件上印刷电路板(PCB)的设计和布局布线等很多其它系统级特性的函数。实际上，测试板是一个焊接在器件引线上的散热片。对测试板的设计或配置的改变将改变散热片的效率，并因此改变θja。事实上，在不通风的环境中，JEDEC定义的θja测量，大约芯片产生的功率的70-95%由测试板耗散，而不是从封装的表面散发。由于系统板很少接近被用来确定θja的测试试件，θja使用公式1的应用将导致极端错误的值。表1列出了在所有材料保持恒定时，将影响指定封装外形尺寸内θja的因数。第一列列出了因数，而第二列给出了凭经验法则估算出的此因数所造成的影响。表表1.对对于于一一个个指指定定封封装装外外形形尺尺寸寸内内，，影影响响θja的的因因数数。。影影响响θja的的因因数数影影响响强强度度（（经经验验法法则则））PCB设计强(100%)芯片或基板尺寸强(50%)内部封装几何形状强(35%)高度强(18%)外部环境温度弱(7%)功率耗散弱(3%)2半导体和集成电路(IC)封装热度量ZHCA543B–December2003–RevisedJuly2012SPRA953—版权©2003–2012,TexasInstrumentsIncorporated01020304050607080Dip20CuDip24CuQFP100CuQFP120A−42QFP132A−42QFP132CQFP160A−42QFP208CuQFP208+H.S.QFP240CuPLCC20CuPLCC28CuPLCC68CuPLCC84CuSOJLOC32A42SOJLOC32CuSOIC8CuPackageTypeJ/A(
C/W)01020304050601s2s2p%Shift216108%Shift(θja)结至环境和Theta-jma(θjma)结至流动空气根据θja并不是封装本身的特性，而是封装，PCB和其它环境因素的特性这一事实，它最好用作不同公司的封装散热性能的对照。例如，如果相对于竞争对手所公布的45°C/W值，TI针对一个封装公布了一个40°C/W的θja值，那么TI部件在应用中有可能比竞争对手的部将多冷却10%。1.2测测试试卡卡影影响响最近，JEDEC已经建立了一组标准用来测量并报告IC封装的散热性能。这些标准全部属于EIA/JESD51项下。EIA/Semi也具有一组与JEDEC版本完全不同的热标准。由于θja不是一个常量，所以在尝试一个比较前，确定用来计算或测量θja的标准就变得十分关键。在JEDEC技术规范内，允许两个测试板类型。一个1s（单信号层）配置给出了一个针对适度板上组装、多层系统级PCB应用的典型使用值。一个2s2p（双信号层、双隐蔽式电源层）配置给出了一个最佳情况性能估算，假定采用了具有隐蔽式电源和接地层的稀疏板上组装、高走线密度板设计。图1显示了对于17中不同封装类型，针对这两个电路板的θja差异。请注意，针对这些模型，所有材料和封装几何图形保持恒定。图图1.对对于于多多种种封封装装，，1s与与2s2pPCB之之间间的的关关系系如图所示，单单一个1s与2s2p测试卡结构间关系的函数即可产生最多50%的θja变化。1.3芯芯片片尺尺寸寸影影响响如果芯片或基板足够大的话，一个封装内的芯片或裸片基板都可发挥均热片的功能。这个均热片有两重功效。首先，它将能量从芯片热点分散到封装表面上更广阔的面积上，从而增加对流能量损耗。第二，它增加了基板到引线指或封装焊球的热传输，然后将热量传导至PCB。图2显示了卷带式空间阵列芯片级封装(CSP)中芯片尺寸对θja的影响。如图所示，针对此封装的θja随芯片尺寸变化了大约8倍。如果计划缩小芯片尺寸，那么很有必要重新测量或重新计算一个封装的θja。3ZHCA543B–December2003–RevisedJuly2012半导体和集成电路(IC)封装热度量SPRA953—版权©2003–2012,TexasInstrumentsIncorporatedPintoPadDist