封装热阻介绍——芯片使用过程中如何进行热传递

2024-06-17 08:22   陕西  

首先我们来看看三种基本热传递方式(热传导热对流热辐射)的定义及其换热公式

热传导:物体各部分间不发生相对位移时,依靠分子、原子、自由电子等热运动而产生的热传递

热对流:由流体的宏观运动而产生冷、热部分相互掺混引起的热量传递的过程

热辐射:物体因为热的原因,通过电磁波的形式传递热量的过程

接下来我们介绍芯片在使用过程中的热传递路径。在此之前,我们先介绍下述几个定义:

  • Tj(Junction Temperature):芯片结温 

  • Tb(Board Temperature):封装引脚与PCB板接触位置温

  • Tc(Case Temperature):封装外壳温度

  • Ta(Ambient Temperature):外界环境温度

  • θja(Junction to Ambient):结到环境热阻

  • θjb(Junction to Board):结到板(即封装引脚与PCB接触位置)热阻

  • θjc(Junction to Case):结到封装外壳热阻

如上图所示,芯片在使用过程中内部电路产生热量,该热量会迅速引起芯片有源区温度Tj升高,并通过热传导的方式传递至封装外壳及PCB板,使外壳表面温度Tc以及PCB板与封装引脚接触位置温度Tb升高;传递至封装外壳表面的热量通过热对流以及热辐射的方式传递至周围环境中;传递至PCB板的温度先在PCB板内部以热传导的形式扩散至整个PCB板表面,再从PCB表面以热对流热辐射的形式传递至周围环境中;最终整个系统达到稳态。

当系统达到稳态后,整个热传递回路达到动态平衡,即单位时间热源产生的热量,等于周围环境吸收的热量。如上篇文章介绍,我们可以利用电路的知识来理解热传递,如下图所示:

将热源(DIE)看作为电流源;将周围环境看作GND;不同网络节点的温度(Tj、Tc、Tb、PCB表面温度、环境温度Ta)看作电路中各节点的电压;各传热路径上产生的热阻,可理解为电路网络中各器件的电阻。而整个网络所结合起来的等效热阻,则为芯片结-周围环境的热阻θja。假设芯片功耗为P,则结温与热阻存在关系式:Tj=P*θja+Ta 。

产品功耗P与环境温度Ta均由产品应用条件所决定,因此需降低芯片结温Tj,则只能从θja入手。而θja则由如下两条传热路径"支路1与支路2"并联组成。

支路1热阻由"结-壳热阻θjc"与"外壳到环境的辐射、对流热阻"串联而成。由辐射、对流传热公式可知,"外壳到环境的辐射、对流热阻"均与封装外壳表面积有关,而封装外壳尺寸通常很小,会导致其对环境的辐射、对流热阻极高。因此要减小支路1热阻,除选用高热导率的封装外壳材料以降低θjc外,通常还会在外壳上增加导热率较高的金属热沉,以减小外表面至环境的辐射、对流热阻。

支路2热阻由"结-板热阻θjb"与"PCB内部传导热阻"以及"PCB到环境的辐射、对流热阻"串联而成。采用具有裸漏"散热焊盘"的封装形式(如ESOP、QFN等)可有效减小θjb;而采用多层PCB板并增加过孔可减小PCB板内部传导热阻;或在PCB板底部增加热沉,以减小表面对环境的辐射及对流热阻;最终减小支路2的总热阻。

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