“芯”冷制胜：读懂IC热阻的秘密，解锁可靠设计的核心密码

“芯”冷制胜：读懂IC热阻的秘密，解锁可靠设计的核心密码

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/GBupupup/article/details/145300154

在半导体集成电路（IC）的世界里，热阻是评估器件性能和可靠性的关键指标。随着技术的发展，封装越来越小，集成度越来越高，器件面临的热应力挑战也随之增加。高结（Junction）温不仅会降低器件的电气特性，还会加速金属迁移等老化现象，导致更高的故障率。因此，科学地评估半导体器件的结温变得尤为重要。本文将探讨热阻的背景、JEDEC的标准要求、常见的热阻参数以及如何在实际应用中进行评估。

热阻背景介绍

热阻（Thermal Resistance）是描述物体在热传导过程中阻止热量流动的能力的物理量，类似于电路中的电阻。

在半导体和集成电路领域，热阻尤为重要，它直接影响到器件的稳定性和寿命。

热阻的定义通常基于以下公式：

其中，Rth是热阻，ΔT是温度差，P 是功耗。热阻越小，表示热量传导效果越好

JEDEC的标准要求

JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) 是推动半导体元器件标准化的重要行业组织，其制定的标准广泛应用于集成电路（IC）领域的热管理。

与“热”相关的主要标准包括 JESD51系列 和 JESD15系列，分别针对热性能测试和热阻模型仿真进行规范。

JESD51系列标准

JESD51系列覆盖了与IC封装热性能相关的关键内容，确保了测量方法的可比性与一致性。主要标准如下：

• JESD51-1：集成电路热阻测量方法 - 电气测试方法，定义了如何通过电气方式测量IC的热性能。

• JESD51-2：集成电路热阻测量方法 - 自然对流环境，规定了在静止空气环境中进行热测试的具体条件。

• JESD51-3：集成电路热阻测量方法 - 强制对流环境，描述了在强制空气流动环境下的测试方法。

• JESD51-6：热测量方法 - 强制对流环境，提供了强制对流条件下的热性能测试标准。

• JESD51-14：瞬态双接口测量法，用于测量从结到外壳的热阻，提供更精确的热阻评估手段。

JESD15系列标准

JESD15系列专注于热阻模型仿真的标准化，为开发和验证热管理模型提供指导。

这些标准体系为半导体器件的热性能评估提供了系统化的参考，确保了不同厂商和产品间的测试结果具有可比性和一致性，从而推动了整个行业的技术进步。

常见热阻参数

在评估半导体器件的热性能时，以下几个热阻参数是最为常见的：

1. 结至环境热阻：θJA

这是最常见的热阻参数，用于描述Junction与环境（Ambiance）之间的热阻。它不仅与IC有关，还与PCB、海拔等环境因素有关。该参数越低，代表更好的热传导性能。

2. 结至外壳热阻：θJC

这个参数描述了从Junction到芯片安装区域最近的封装壳（Case）外表面的热阻。它适用于评估当散热器附着在封装上时的热性能。

3. 结至板热阻：θJB

这个参数描述了从Junction到 PCB 的热阻，是评估器件在实际应用中热性能的重要参数。

4. 结至封装顶部表征参数/结至板表征参数：ΨJT / ΨJB

这两个参数是由JEDEC在20世纪90年代定义的，用于更准确地评估现代封装类型器件的结温。

**θJA的误区与正确应用**

θJA是最常见的热度量指标，但也是最常被误用的。

Figure 1：JESD51中θJA定义

它实际上是一个受多种因素影响的变量，包括PCB设计、芯片尺寸、内部封装几何配置等。

θJA的影响因素：

1. PCB设计：

PCB的设计和布局对θJA有很大的影响。不同的PCB设计会导致不同的热传导路径和热阻。

2. 芯片尺寸：

芯片或焊盘的尺寸也会影响θJA。较大的芯片或焊盘可以更有效地分散热量，从而降低θJA。

3. 内部封装几何配置：

封装内部的几何配置，如引线框架的布局，也会影响θJA。

4. 其他因素

假设所有材料保持恒定时，不同因素对θJA 的影响关系情况如下表：

JESD51 对该参数的测量做了明确定义，规定了测试PCB尺寸和层数、测试条件等，所以θJA更适合用来比较不同产品的相对热性能，而不适合用来计算实际应用中的节温TJ。

**θJC 的误区与正确应用**

在JEDEC Standard JESD51定义中，θJC 是指“从半导体器件器件结（Junction）到芯片的安装区域最近的封装（Case）的外周面的热阻，当其外周面适当地散热时，其外周面和散热片的温差最小。

Figure 2 描述了从Junction到Case的一维散热路径。一维是指热的流动方向遵循线性方向。 其中，TC 是Case温度。

Figure 2：JESD51中θJC-Bot定义

但是实际场景中，热具有三维扩散的能力，物理上不存在与JESD51-14的θJC定义的TC相当的温度测量点，因此θJC可用于不同封装之间的散热性能比较，请注意不要使用θJC来计算Junction温度TJ。

**ΨJT：新一代的热阻指标**

为了更准确地估算结温，业界引入了ΨJT这一新的热阻指标。

Figure 3：JESD51中ΨJT定义

与传统的热阻参数不同，ΨJT不是真正的热阻，而是一个系数，它表示结温与参考点（如封装顶部）温度差异与器件总功耗的比值。

使用上述公式可以非常接近地估算实际结温，这是由于ΨJT的如下优势：

1. 较小的PCB尺寸依赖性：

与传统的热阻参数不同，ΨJT对PCB尺寸的依赖性较小，使得在不同应用环境下的结温估算更为准确。

2. 更接近实际应用环境：

ΨJT的测量方法更接近实际应用环境，因此它能够更准确地预测器件在实际使用中的热行为。

总 结

热阻指标的合理运用，直接关系到器件性能和产品寿命。从规范的热阻测试到科学的结温预测，每一步都不可或缺。掌握这些知识，才能在日益复杂的半导体领域中占据优势。