確保IC封裝及PCB設(shè)計(jì)的散熱完整性

假如你現(xiàn)在正在構(gòu)建一個(gè)專業(yè)設(shè)計(jì)的電路實(shí)驗(yàn)板，已經(jīng)完成了layout前所有需要進(jìn)行的仿真工作，并查看了廠商有關(guān)特定封裝獲得良好熱設(shè)計(jì)的建議方法。你甚至仔細(xì)確認(rèn)了寫在紙上的初步熱分析方程式，并確保其不超出IC結(jié)點(diǎn)溫度，并有較為寬松的容限。但稍后，你打開電源，卻發(fā)現(xiàn)IC摸起來(lái)非常熱。對(duì)此，你感到非常不滿，當(dāng)然散熱專家以及可靠性設(shè)計(jì)人員更加焦慮?，F(xiàn)在，你該怎么辦？

在談到整體設(shè)計(jì)的可靠性時(shí)，通過(guò)讓IC 結(jié)點(diǎn)溫度遠(yuǎn)離絕對(duì)最大值水平，在環(huán)境溫度不斷升高的條件下保持你的電路設(shè)計(jì)的完整性是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮因素。當(dāng)你逐步接近具體電路設(shè)計(jì)中央芯片的最大功耗水平（Pd最大值）時(shí)更是如此。

進(jìn)行散熱完整性分析的第一步，是深入理解IC封裝熱指標(biāo)的基礎(chǔ)知識(shí)。

到目前為止，封裝熱性能最常見的度量標(biāo)準(zhǔn)是Theta JA，即從結(jié)點(diǎn)到環(huán)境所測(cè)得（或建模）的熱阻（參見圖1）。Theta JA值也是最需要解釋的內(nèi)容（參見圖2）。能夠極大影響Theta JA 測(cè)量和計(jì)算的因素包括：

* 貼裝板：是/否？

* 線跡：尺寸、成分、厚度和幾何結(jié)構(gòu)

* 方向：水平還是垂直？

* 環(huán)境：體積

* 靠近程度：有其他表面靠近被測(cè)器件嗎？

圖 1 電氣網(wǎng)絡(luò) Theta-JA 分析

圖 2 Theta-JA 解釋

熱阻（Theta JA）數(shù)據(jù)現(xiàn)在對(duì)使用新JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的有引線表面貼裝封裝有效。實(shí)際數(shù)據(jù)產(chǎn)生于數(shù)個(gè)封裝上，同時(shí)熱模型在其余封裝上運(yùn)行。按照封裝類型以及不同氣流水平顯示的Theta JA 值來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)分組。

結(jié)點(diǎn)到環(huán)境數(shù)據(jù)是結(jié)點(diǎn)到外殼（Theta JC）的熱阻數(shù)據(jù)（參見圖3）。實(shí)際Theta JC數(shù)據(jù)會(huì)根據(jù)使用JEDEC印制電路板（PCB）測(cè)試的封裝生成。

圖 3 Theta-JC 解釋

但是，誰(shuí)有這么多時(shí)間和耐性做完所有這種分析和測(cè)試——當(dāng)然JEDEC除外！本文將告訴您在測(cè)試您設(shè)計(jì)的散熱完整性時(shí)如何安全地繞過(guò)這些步驟。

通過(guò)訪問散熱數(shù)據(jù)，您可以將散熱數(shù)據(jù)用于您正使用的具體封裝。這里，您會(huì)發(fā)現(xiàn)額定參量曲線、不同流動(dòng)空氣每分鐘直線英尺（LFM）的Tja，以及對(duì)您的設(shè)計(jì)很重要的其他建模數(shù)據(jù)。

所有這些信息都會(huì)幫助您不超出器件的最大結(jié)點(diǎn)溫度。尤為重要的是堅(jiān)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。下列各種設(shè)計(jì)建議可幫助您實(shí)施最佳的散熱設(shè)計(jì)。

既然您閱讀了全部建模熱概述，并且驗(yàn)證了您的電路板布局和散熱設(shè)計(jì)，那么就讓我們?cè)诓皇褂蒙峤＼浖蛘邿犭娕紲y(cè)量實(shí)際溫度的情況下檢查您散熱設(shè)計(jì)的實(shí)際好壞程度吧。產(chǎn)品說(shuō)明書中的Theta JA額定值一般基于諸如JEDEC #JESD51的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其使用的是一種標(biāo)準(zhǔn)化的布局和測(cè)試電路板。因此，您的散熱設(shè)計(jì)可能會(huì)不同，會(huì)有不同于標(biāo)準(zhǔn)的Theta JA，這是因?yàn)槟唧w的PC電路板設(shè)計(jì)需求。

如果您想知道您的設(shè)計(jì)離最佳散熱設(shè)計(jì)還有多遠(yuǎn)，那么請(qǐng)對(duì)您的 PC 電路板設(shè)計(jì)執(zhí)行下列系統(tǒng)內(nèi)測(cè)試。（嘗試將電壓設(shè)置到其最大可能值，以測(cè)試極端條件。）

要想獲得最佳結(jié)果，請(qǐng)使用一臺(tái)烤箱（非熱感應(yīng)系統(tǒng)），然后靠近電路板只測(cè)量Ta，因?yàn)榭鞠溆幸恍狳c(diǎn)。如果可能，請(qǐng)?jiān)陔娐钒宓撞渴褂靡粋€(gè)熱絕緣墊，以防止室溫空氣破壞測(cè)量。

圖 4 散熱設(shè)計(jì)改善技術(shù)的 TLC5940 級(jí)聯(lián)應(yīng)用實(shí)例參考

首先，測(cè)量出您的IC在其實(shí)際設(shè)計(jì)環(huán)境（PC板）中的實(shí)際熱阻。然后，將其同“理想”JEDEC 數(shù)值對(duì)比。您需要一個(gè)具有熱錯(cuò)誤標(biāo)志（TEF）或類似功能的IC，這種功能可以指示IC結(jié)點(diǎn)處的超高溫狀態(tài)。例如，我們使用TI的TLC5940 LED驅(qū)動(dòng)器解決方案芯片。一般而言，大多數(shù) IC的最大Tj（查看您的產(chǎn)品說(shuō)明書獲取實(shí)際數(shù)值）約為150℃。就TLC5940 器件來(lái)說(shuō)，TEF的 Tj變化范圍在150℃到170℃ 之間。

此處的測(cè)試中，我們只關(guān)心測(cè)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(jì)算得到具體測(cè)試PC電路板的熱阻Theta JA。它應(yīng)該非常明顯地表明我們的散熱設(shè)計(jì)質(zhì)量。如果芯片具有這種散熱片，則對(duì)幾塊PC電路板進(jìn)行測(cè)試以獲得一些區(qū)域（例如：PowerPad）焊接完整性的較好采樣，目的是正確使用這種獨(dú)特的封裝散熱片技術(shù)。要找到TEF 允許的器件最大Tj，請(qǐng)將PC電路板置入恒溫槽中，同時(shí)器件無(wú)負(fù)載且僅運(yùn)行在靜態(tài)狀態(tài)。緩慢升高恒溫槽溫度，直到TEF被觸發(fā)。出現(xiàn)這種情況時(shí)恒溫槽的溫度點(diǎn)便為Tj，因?yàn)門a = Tj。這種情況下，功耗（Pd）必須處在非常低的靜態(tài)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(jì)算 Theta JA。

其次，計(jì)算出您電路的最大Pd。將恒溫槽溫度升高到產(chǎn)品說(shuō)明書規(guī)定的IC最大環(huán)境溫度以上約10或15度（將該溫度記錄為Ta）。這樣做會(huì)使TEF更快地通過(guò)自加熱?，F(xiàn)在，通過(guò)緩慢增加Pd直至TEF斷開，我們將全部負(fù)載施加到 IC。在TLC5940中，我們改變外部電阻R（IREF），其設(shè)置器件的Io吸收電流。如果超高溫電路有滯后，則電路會(huì)緩慢地溫度循環(huán)，從而要求我們緩慢地降低Pd直至循環(huán)停止。這時(shí)，恒溫槽溫度應(yīng)被記錄為Pd最大值。

最后，要獲得您電路板的Theta JA，請(qǐng)將測(cè)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

如果您擁有一個(gè)較好的散熱設(shè)計(jì)，則該值應(yīng)接近 IC 產(chǎn)品說(shuō)明書中的Theta JA。

幸運(yùn)的是，這種測(cè)試不依賴于外殼（Tc）或結(jié)點(diǎn)（Tj）的直接溫度測(cè)量，因?yàn)楹茈y準(zhǔn)確地在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(gè)忽略因素。

在本文一開始提及的情況中，如果您設(shè)計(jì)的Pd接近Pd最大值，則您可以利用如下方法來(lái)改善散熱設(shè)計(jì)：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（參見表1）。

表 1 散熱等級(jí)

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