2.1.1　熱阻

1. 元器件封裝的熱阻模型

元器件封裝的熱阻模型[19]如圖2-1所示。熱阻指熱流從一個(gè)結(jié)構(gòu)（如IC結(jié)點(diǎn)）轉(zhuǎn)移到另一個(gè)結(jié)構(gòu)（如周圍環(huán)境）時(shí)遇到的阻力。熱阻表示為每個(gè)單位熱流量的溫差（單位：℃/W），一般用符號(hào)θ或者R來(lái)表示。元器件數(shù)據(jù)表中的熱阻額定值是一項(xiàng)對(duì)不同封裝元器件進(jìn)行熱特性比較的指標(biāo)。在一般情況下，熱阻額定值均以JEDEC工業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，測(cè)試條件見(jiàn)元器件的數(shù)據(jù)表。可以從JEDEC網(wǎng)站免費(fèi)下載JEDEC標(biāo)準(zhǔn)。

需要注意的是，圖2-1中的串行熱阻模擬的是一個(gè)元器件的總的熱阻路徑。因此，在計(jì)算時(shí)，總熱阻θJA為兩個(gè)熱阻之和，即θJA=θJC+θCA，θJA為結(jié)到周圍環(huán)境的熱阻，θJC為結(jié)到外殼的熱阻，θCA為外殼到周圍環(huán)境的熱阻。注：在一些資料中，θJA、θJC和θCA也采用RθJA、RθJC和RθCA等形式表示。例如，一個(gè)運(yùn)算放大器IC，如果結(jié)到周圍環(huán)境的熱阻θJA為120℃/W，則在功耗為1W時(shí)，測(cè)得IC結(jié)點(diǎn)與周圍環(huán)境之間的溫差為120℃。

2. 結(jié)到周圍環(huán)境的熱阻θJA

θJA表示在熱流從硅片轉(zhuǎn)移到周圍環(huán)境時(shí)遇到的阻力，單位是℃/W。它也反映了熱量通過(guò)各種路徑在結(jié)點(diǎn)至周圍環(huán)境之間流動(dòng)的效率。在多數(shù)情況下，主要熱流路徑為從IC引腳到電路板。θJA因而可用于無(wú)外部散熱器的IC封裝。實(shí)踐中，θJA會(huì)受到周圍環(huán)境和安裝技術(shù)的影響。通風(fēng)不良和插槽的使用可能顯著增大熱阻。利用風(fēng)扇形成的氣流，以較寬的走線把元器件焊接到電路板上，可以增進(jìn)散熱效果。這種方法有助于降低結(jié)點(diǎn)到周圍環(huán)境的熱阻，因而可以降低結(jié)點(diǎn)溫度（簡(jiǎn)稱結(jié)溫）。

注意，θJA多用于確定封裝的額定值，不得用于預(yù)測(cè)系統(tǒng)的熱特性。此項(xiàng)指標(biāo)用于比較在相同環(huán)境下測(cè)試的不同封裝的熱特性。較低的θJA數(shù)值表示元器件擁有較好的散熱性能，過(guò)熱的可能性較小。較大的封裝（表面積較大）可以更加有效地散熱，元器件的熱阻通常較低。

已知環(huán)境溫度和功耗時(shí)，θJA也經(jīng)常用來(lái)計(jì)算芯片結(jié)點(diǎn)溫度。

熱阻θJA與周圍環(huán)境溫度TA、芯片結(jié)溫TJ和芯片功耗PD的關(guān)系如下。

TJ=TA+PDθJA　（2-2）

式中，TJ為芯片結(jié)溫（℃）；TA為周圍環(huán)境溫度（℃）；PD為芯片功耗（W）；θJA為結(jié)到周圍環(huán)境的熱阻（℃/W），θJA=θJC+θCH+θHA；θJC為結(jié)到外殼的熱阻（℃/W）；θCH為外殼到散熱器的熱阻（℃/W）；θHA為散熱器到周圍環(huán)境的熱阻（℃/W）。

由式（2-2）可知，要維持一個(gè)低的結(jié)溫TJ，必須使熱阻θJA或功耗PD（或者二者同時(shí)）為較低值。

注意，θJA只有在系統(tǒng)環(huán)境與JEDEC定義的測(cè)試環(huán)境幾乎相同時(shí)才有用。θJA在很大程度上取決于電路板設(shè)計(jì)和測(cè)試環(huán)境條件。在計(jì)算溫度時(shí)應(yīng)慎重使用θJA。受實(shí)際環(huán)境和測(cè)試環(huán)境差異的影響，θJA通常會(huì)給出不準(zhǔn)確的熱計(jì)算結(jié)果。

3. 結(jié)到外殼的熱阻θJC

θJC表示在熱流從芯片結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到外殼（封裝頂部或底部）時(shí)遇到的阻力。θJC取決于芯片厚度、表面積和熱流路徑中元器件材料的熱導(dǎo)率。在JEDEC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中，根據(jù)θJC定義，假定所有熱量均流過(guò)封裝頂部，流到散熱器。依據(jù)該定義，無(wú)熱量會(huì)流過(guò)封裝側(cè)面或底部。因此，θJC僅在封裝直接裝在散熱器上時(shí)有用。θJC越低，熱量越容易注入散熱器。θJC被定義為從芯片的pn結(jié)到外殼的溫差與芯片所耗散的功率之比。

式中，TJ為芯片結(jié)溫；TC為外殼（封裝表面）溫度；PD為芯片功耗。

θJC與管殼到周圍環(huán)境的熱阻無(wú)關(guān)，θJA與QJC有關(guān)，因此當(dāng)電路的封裝被安排成可以向部件中其他元器件散熱時(shí)，θJC是較好的熱阻指示參數(shù)。

在元器件數(shù)據(jù)表中，通常會(huì)給出各種不同封裝的θJC。在評(píng)估哪一種封裝最不會(huì)過(guò)熱以及在外殼溫度和功耗已知的情況下確定芯片結(jié)溫時(shí)，QJC一個(gè)非常有用的參數(shù)。

在元器件中，溫度參考點(diǎn)通常選擇芯片內(nèi)部最熱的那一點(diǎn)，即在給定封裝中芯片內(nèi)部的最熱點(diǎn)。其他相關(guān)參考點(diǎn)為TC或TA。由此可以得到上面提及的各個(gè)熱阻θJC和θCA。

結(jié)到外殼熱阻θJC通常在元器件數(shù)據(jù)表中給出。不同元器件的封裝不同，θJC（RθJC）也不同。相同的封裝，由于元器件耗散功率不同，結(jié)到外殼熱阻θJC（RθJC）也會(huì)不同。

需要明確的是，這些熱阻在很大程度上取決于封裝，因?yàn)椴煌牟牧蠐碛胁煌降膶?dǎo)熱性。一般而言，導(dǎo)體的熱阻類似于電阻，銅最好（銅的熱阻最小），其次是鋁、鋼等。

4. 元器件的熱阻示例

對(duì)于一個(gè)特定的元器件，在元器件生產(chǎn)商提供的元器件數(shù)據(jù)表中，可以查詢到該元器件封裝的熱阻參數(shù)[19]。

ADI公司一個(gè)有關(guān)θJA和θJC的示例見(jiàn)表2-1。熱阻θJA是針對(duì)焊接在零氣流4層JEDEC標(biāo)準(zhǔn)板上的元器件而規(guī)定的。對(duì)于LFCSP封裝，裸露焊盤(pán)直接焊接到電路板上。

應(yīng)注意的是，元器件數(shù)據(jù)表提供的熱特性數(shù)據(jù)與測(cè)試電路板有關(guān)。在元器件數(shù)據(jù)表中，θJA測(cè)試數(shù)據(jù)是在SEMI或JEDEC標(biāo)準(zhǔn)板上獲得的。

SEMI板是垂直安裝的，符合SEMI標(biāo)準(zhǔn)G42-88，采用SEMI標(biāo)準(zhǔn)G38-87的測(cè)試方法。

JEDEC板是水平安裝的。JEDEC標(biāo)準(zhǔn)板采用厚度為1.57mm的FR-4，在PCB裸露的表面有2oz/ft2銅導(dǎo)線，是一種影響較低的熱導(dǎo)率（熱阻）測(cè)試板。采用JEDEC的4層電路板的目的是為了獲得接近最好的情況下的散熱性能。JEDEC的4層電路板采用厚度為1.60mm的FR-4，包括4層銅。兩個(gè)內(nèi)部層為實(shí)心銅層（1oz/ft2或35μm厚）。兩個(gè)表面層為2oz/ft2銅層。

例如，Altera Cyclone Ⅱ系列FPGA器件使用不同測(cè)試電路板的封裝與熱阻[20]見(jiàn)表2-2和表2-3。

表2-2提供了符合JEDEC熱阻計(jì)算規(guī)范的板上Altera Cyclone Ⅱ系列器件的θJA（結(jié)到環(huán)境的熱阻）值和θJC（結(jié)到殼的熱阻）值。JEDEC電路板規(guī)范要求需要兩個(gè)信號(hào)和兩個(gè)電源/接地平面。JEDEC規(guī)范可從www.jedec.org獲得。表2-3提供了典型電路板的Altera Cyclone Ⅱ器件的熱阻值。表2-2和表2-3的表頭解釋如下。

? θJA（℃/W）無(wú)氣流：沒(méi)有使用散熱器時(shí)，無(wú)氣流（Still Air）時(shí)，結(jié)到環(huán)境的熱阻。

? θJA（℃/W）100ft/min：當(dāng)沒(méi)有使用散熱器，具有100ft/min（英尺/分鐘）氣流時(shí)，結(jié)到環(huán)境的熱阻。

? θJA（℃/W）200ft/min：當(dāng)沒(méi)有使用散熱器，具有200ft/min（英尺/分鐘）氣流時(shí)，結(jié)到環(huán)境的熱阻。

? θJA（℃/W）400ft/min：當(dāng)沒(méi)有使用散熱器，具有400ft/min（英尺/分鐘）氣流時(shí)，結(jié)到環(huán)境的熱阻。

? θJC（℃/W）：結(jié)到殼的熱阻。

? θJB（℃/W）：使用特定電路板時(shí)，結(jié)到板的熱阻。