確保您的 IC 封裝/PC 電路板設計的散熱完整性

作者：Stephen Taranovich，德州儀器 (TI) 高級模擬現場應用工程師

您只構建了一個專業設計的電路實驗板。您完成了布局以前需要做的所有仿真，并查看了廠商對于特定封裝下獲得較好散熱設計的建議方法。您甚至仔細檢查了紙面上的初步熱分析方程式，給予了它們應有的注意，旨在確保不超出 IC 結點溫度，并具有較為寬松的容限。但稍后，您開啟電源，IC 摸起來還是非常的熱。對此，您感到很不滿意（更不用說您的散熱專家以及可靠性設計人員的焦慮了）。現在，您該怎么辦？

在談到整體設計的可靠性時，通過讓 IC 結點溫度遠離絕對較大值水平，在環境溫度不斷升高的條件下保持您的電路設計的完整性是一個重要的設計考慮因素。當您逐步接近具體電路設計中央芯片的較大功耗水平（Pd 較大值）時更是如此。

您進行散熱完整性分析的第一步是深入理解 IC 封裝熱指標的基礎知識。

到目前為止，封裝熱性能較常見的度量標準是 Theta JA，即結點到環境測得（建模）的熱阻（參見圖 1）。Theta JA 值也是較需要解釋的內容（參見圖 2）。能夠極大影響 Theta JA 測量和計算的一些因素包括：

• 貼裝板：是/否？
• 線跡：尺寸、成分、厚度和幾何結構
• 方向：水平還是垂直？
• 環境：體積
• 靠近程度：有其他表面靠近被測器件嗎？

熱阻 (Theta JA) 數據現在對使用新 JEDEC 標準的有引線表面貼裝封裝有效。實際數據產生于數個封裝上，同時熱模型在其余封裝上運行。按照封裝類型以及不同氣流水平顯示的 Theta JA 值來對數據分組。

圖 1 電氣網絡 Theta-JA 分析

圖 2 Theta-JA 解釋

結點到環境數據是結點到外殼 (Theta JC) 的熱阻數據（請參見圖 3）。實際 Theta JC 數據會根據使用 JEDEC 印制電路板 (PCB) 測試的封裝生成。

圖 3 Theta-JC 解釋

天啊，誰有這么多時間和耐性做完所有這種分析和測試——當然 JEDEC 除外！在本文中，您將了解到在測試您設計的散熱完整性時如何安全地繞過這些步驟。

通過訪問散熱數據，您可以將散熱數據用于您正使用的具體封裝。這里，您會發現額定參量曲線、不同流動空氣每分鐘直線英尺 (LFM) 的 Tja，以及對您的設計很重要的其他建模數據。

所有這些信息都會幫助您不超出器件的較大結點溫度。尤為重要的是堅持廠商和 JEDEC 建議的封裝布局原則，例如：那些使用 QFN 封裝的器件。4下列各種設計建議可幫助您實施較佳的散熱設計。

既然您閱讀了全部建模熱概述，并且驗證了您的電路板布局和散熱設計，那么就讓我們在不使用散熱建模軟件或者熱電偶測量實際溫度的情況下檢查您散熱設計的實際好壞程度吧。產品說明書中的 Theta JA 額定值一般基于諸如 JEDEC #JESD51 的行業標準，其使用的是一種標準化的布局和測試電路板。因此，您的散熱設計可能會不同，會有不同于標準的 Theta JA，這是因為您具體的 PC 電路板設計需求。

如果您想知道您的設計離較佳散熱設計還有多遠，那么請對您的 PC 電路板設計執行下列系統內測試。（嘗試將電壓設置到其較大可能值，以測試極端條件。）

要想獲得較佳結果，請使用一臺烤箱（非熱感應系統），然后靠近電路板只測量 Ta，因為烤箱有一些熱點。如果可能，請在電路板底部使用一個熱絕緣墊，以防止室溫空氣破壞測量。

我們此處的測試中，我們只關心我們測試電路板上具體芯片的 Tj 情況。我們將其用作方程式的替代引用，該方程式計算得到具體測試 PC 電路板的熱阻 Theta JA。它應該非常明顯地表明我們的散熱設計質量。如果芯片具有這種散熱片，則對幾塊 PC 電路板進行測試以獲得一些區域（例如：PowerPadTM）焊接完整性的較好采樣，目的是正確使用這種獨特的封裝散熱片技術。要找到 TEF 允許的器件較大 Tj，請將 PC 電路板置入恒溫槽中，同時器件無負載且僅運行在靜態狀態。緩慢升高恒溫槽溫度，直到 TEF 被觸發。出現這種情況時恒溫槽的溫度點便為Tj，因為 Ta = Tj。這種情況下，功耗 (Pd) 必須處在非常低的靜態水平，并且可被視作零。將該溫度記錄為 Tj。它將用于我們的方程式，計算 Theta JA。5

其次，計算出您電路的較大 Pd。將恒溫槽溫度升高到產品說明書規定的 IC 較大環境溫度以上約 10 或 15 度（將該溫度記錄為 Ta）。這樣做會使 TEF 更快地通過自加熱。現在，通過緩慢增加 Pd 直至 TEF 斷開，我們將全部負載施加到 IC。在 TLC5940 中，我們改變外部電阻 R(IREF)，其設置器件的 Io 吸收電流。如果超高溫電路有滯后，則電路會緩慢地溫度循環，從而要求我們緩慢地降低 Pd 直至循環停止。這時，恒溫槽溫度應被記錄為 Pd 較大值。

較后，要獲得您電路板的 Theta JA，請將測得的 Tj 值、Ta 值和 Pd 較大值插入到下列方程式中：

Theta JA = (Tj-Ta)/Pd max

如果您擁有一個較好的散熱設計，則該值應接近 IC 產品說明書中的 Theta JA。

幸運的是，這種測試不依賴于外殼 (Tc) 或結點 (Tj) 的直接溫度測量，因為很難準確地在現場測量到它們。

小貼士：
? 一定要將 PC 電路板放入恒溫槽中幾分鐘
? 將 Vsupply X Iq 加上理想 Pd，考慮 Iq 的 IC 功耗。這可能是也可能不是一個忽略因素。

在本文一開始提及的情況中，如果您的設計的 Pd 接近 Pd 較大值，則您可以利用如下方法來改善散熱設計：使用更好的散熱定額封裝。在 TLC5940 案例中，帶散熱墊 (PowerPad) 的 HTSSOP 可能更佳（請參見表 1）。

表 1 散熱等級

? 增加 PC 電路板銅厚度，其通過散熱墊或者其他散熱片器件來對 IC 散熱。
? 如果可能，利用氣流來降低 IC 承受的較高環境溫度。
? 降低器件 Pd。在我們的測試中，可以通過如下幾種方法完成這項工作（請參見圖 4）：

1. 降低 V(LED)
2. 將一個串聯電阻添加到 LED 電流通路。這樣做不會改變設計的總功耗，但它會將 IC 封裝的一些 Pd 移到外部串聯電阻。

圖 4 散熱設計改善技術的 TLC5940 級聯應用實例參考

總結

優秀的電路設計人員要務必有一個穩健的電氣設計，它可以在較高環境溫度下處理極端電壓和電流。很多時候，人們常常遺忘的方面或者一個較少考慮的方面是極端工作條件下封裝的散熱設計完整性。這可能是您的設計中一個更為重要的方面，因為它在很大程度上決定著電路的可靠性。

這里說的是一種就散熱方面而言確定較佳設計的相對快速和簡單的方法，其無需一些笨拙或耗時的方法，或者價格昂貴的軟件分析。另外還介紹了一些降低 Pd 或者至少降低 IC 封裝自身功耗的一些方法。

我們希望您找到這些有用的方法和工具，以及一些確保您的設計的完整性的方法，從而讓您能夠節省出時間用于繁忙的 EE 工作的其他方面。

參考文獻

1、《IC 封裝散熱方法》，作者：D. Edwards，2007 年 6 月，應用報告， SPRA953A，TI。
2、《TI 散熱特性簡介》，作者：Lohia, Alok，2005 年 11 月 11日，TI。
3、《QFN 布局指南》，作者：Quek, Yang Boon，2006 年，應用報告， SLOA122，TI。
4、《進行系統散熱分析》，作者：Ivins, Tom，2006 年 5 月，《電源電子技術雜志》

作者簡介

Stephen Taranovich 現任 TI 全球客戶代表兼高級模擬現場應用工程師。他畢業于紐約大學 (New York University, Bronx, New York)，獲電子工程理學士學位，后又畢業于紐約理工大學 (Polytechnic University, Brooklyn, New York)，獲電子工程碩士學位。

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