如何确保IC封装及PCB设计的散热完整性

假如你现在正在构建一个专业设计的电路实验板，已经完成了layout前所有需要进行的仿真工作，并查看了厂商有关特定封装获得良好热设计的建议方法。你甚至仔细确认了写在纸上的初步热分析方程式，并确保其不超出IC结点温度，并有较为宽松的容限。但稍后，你打开电源，却发现IC摸起来非常热。对此，你感到非常不满，当然散热专家以及可靠性设计人员更加焦虑。现在，你该怎么办？

在谈到整体设计的可靠性时，通过让IC 结点温度远离绝对最大值水平，在环境温度不断升高的条件下保持你的电路设计的完整性是一个重要的设计考虑因素。当你逐步接近具体电路设计中央芯片的最大功耗水平(Pd最大值）时更是如此。

进行散热完整性分析的第一步，是深入理解IC封装热指标的基础知识。

到目前为止，封装热性能最常见的度量标准是Theta JA，即从结点到环境所测得(或建模）的热阻(参见图1）。Theta JA值也是最需要解释的内容(参见图2）。能够极大影响Theta JA 测量和计算的因素包括：

* 贴装板：是/否？

* 线迹：尺寸、成分、厚度和几何结构

* 方向：水平还是垂直？

* 环境：体积

* 靠近程度：有其他表面靠近被测器件吗？

图 1 电气网络 Theta-JA 分析

图 2 Theta-JA 解释

热阻(Theta JA)数据现在对使用新JEDEC标准的有引线表面贴装封装有效。实际数据产生于数个封装上，同时热模型在其余封装上运行。按照封装类型以及不同气流水平显示的Theta JA 值来对数据分组。

结点到环境数据是结点到外壳(Theta JC)的热阻数据(参见图3）。实际Theta JC数据会根据使用JEDEC印制电路板(PCB)测试的封装生成。

图 3 Theta-JC 解释

但是，谁有这么多时间和耐性做完所有这种分析和测试——当然JEDEC除外！本文将告诉您在测试您设计的散热完整性时如何安全地绕过这些步骤。

通过访问散热数据，您可以将散热数据用于您正使用的具体封装。这里，您会发现额定参量曲线、不同流动空气每分钟直线英尺(LFM)的Tja，以及对您的设计很重要的其他建模数据。

所有这些信息都会帮助您不超出器件的最大结点温度。尤为重要的是坚持厂商和JEDEC建议的封装布局原则，例如：那些使用QFN封装的器件。下列各种设计建议可帮助您实施最佳的散热设计。

既然您阅读了全部建模热概述，并且验证了您的电路板布局和散热设计，那么就让我们在不使用散热建模软件或者热电偶测量实际温度的情况下检查您散热设计的实际好坏程度吧。产品说明书中的Theta JA额定值一般基于诸如JEDEC #JESD51的行业标准，其使用的是一种标准化的布局和测试电路板。因此，您的散热设计可能会不同，会有不同于标准的Theta JA，这是因为您具体的PC电路板设计需求。

如果您想知道您的设计离最佳散热设计还有多远，那么请对您的 PC 电路板设计执行下列系统内测试。(尝试将电压设置到其最大可能值，以测试极端条件。）

要想获得最佳结果，请使用一台烤箱(非热感应系统），然后靠近电路板只测量Ta，因为烤箱有一些热点。如果可能，请在电路板底部使用一个热绝缘垫，以防止室温空气破坏测量。

图 4 散热设计改善技术的 TLC5940 级联应用实例参考

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首先，测量出您的IC在其实际设计环境(PC板）中的实际热阻。然后，将其同“理想”JEDEC 数值对比。您需要一个具有热错误标志(TEF)或类似功能的IC，这种功能可以指示IC结点处的超高温状态。例如，我们使用TI的TLC5940 LED驱动器解决方案芯片。一般而言，大多数 IC的最大Tj(查看您的产品说明书获取实际数值）约为150 C。就TLC5940 器件来说，TEF的 Tj变化范围在150 C到170 C 之间。

此处的测试中，我们只关心测试电路板上具体芯片的Tj情况。我们将其用作方程式的替代引用，该方程式计算得到具体测试PC电路板的热阻Theta JA。它应该非常明显地表明我们的散热设计质量。如果芯片具有这种散热片，则对几块PC电路板进行测试以获得一些区域(例如：PowerPad）焊接完整性的较好采样，目的是正确使用这种独特的封装散热片技术。要找到TEF 允许的器件最大Tj，请将PC电路板置入恒温槽中，同时器件无负载且仅运行在静态状态。缓慢升高恒温槽温度，直到TEF被触发。出现这种情况时恒温槽的温度点便为Tj，因为Ta = Tj。这种情况下，功耗(Pd)必须处在非常低的静态水平，并且可被视作零。将该温度记录为 Tj。它将用于我们的方程式，计算 Theta JA。

其次，计算出您电路的最大Pd。将恒温槽温度升高到产品说明书规定的IC最大环境温度以上约10或15度(将该温度记录为Ta）。这样做会使TEF更快地通过自加热。现在，通过缓慢增加Pd直至TEF断开，我们将全部负载施加到IC。在TLC5940中，我们改变外部电阻R(IREF)，其设置器件的Io吸收电流。如果超高温电路有滞后，则电路会缓慢地温度循环，从而要求我们缓慢地降低Pd直至循环停止。这时，恒温槽温度应被记录为Pd最大值。

最后，要获得您电路板的Theta JA，请将测得的Tj值、Ta值和Pd最大值插入到下列方程式中：

Theta JA = (Tj-Ta)/Pd max

如果您拥有一个较好的散热设计，则该值应接近 IC 产品说明书中的Theta JA。

幸运的是，这种测试不依赖于外壳(Tc)或结点(Tj)的直接温度测量，因为很难准确地在现场测量到它们。

小贴士：

* 一定要将PC电路板放入恒温槽中几分钟

* 将Vsupply X Iq加上理想Pd，考虑Iq的IC功耗。这可能是也可能不是一个忽略因素。

在本文一开始提及的情况中，如果您设计的Pd接近Pd最大值，则您可以利用如下方法来改善散热设计：使用更好的散热定额封装。在TLC5940案例中，带散热垫(PowerPad)的HTSSOP可能更佳(参见表1）。

表 1 散热等级

参考文献

1、 《IC 封装散热方法》，作者：D. Edwards，2007 年 6 月，应用报告， SPRA953A，TI。

2、 《TI 散热特性简介》，作者：Lohia, Alok，2005 年 11 月 11日，TI。

3、 《QFN 布局指南》，作者：Quek, Yang Boon，2006 年，应用报告， SLOA122，TI。

4、 《进行系统散热分析》，作者：Ivins, Tom，2006 年 5 月，《电源电子技术杂志》

作者：Stephen Taranovich

高级模拟现场应用工程师

德州仪器

作者简介

Stephen Taranovich 现任 TI 全球客户代表兼高级模拟现场应用工程师。他毕业于纽约大学 (New York University, Bronx, New York)，获电子工程理学士学位，后又毕业于纽约理工大学 (Polytechnic University, Brooklyn, New York)，获电子工程硕士学位。