PDF《关于热阻》

关于热阻 Ver.

2013-07-23 -

1 - 本资料,作为客户热量设计时的参考,关于本公司的热阻的各参数定义、测量方法等在此进行解说. 背景 通常,芯片的结温(Junction Temperature)(Tj)每上升 10℃,器件的寿命就会大约减为一半,故障率也 会大约增大2倍.Si 半导体在 Tj 超过了 175℃时就有可能损坏.由此,使用时就必须极力降低 Tj,以容 许温度(通常 80~100℃)为目标进行热量设计.但是,对于功率器件那样的高输出元件,要把 Tj 抑制在 容许温度以下其实是比较困难的,所以通常以规格书里揭载的最高容许温度的 80%为基准来设计 Tj. 另外、即使器件的封装相同,根据器件的芯片尺寸、引线框架的定位尺寸、实装电路板的规格等不同、热 阻值也会发生变化,需要特别注意. 定义 半导体封装的热阻是指器件在消耗了1[W]功率时,用芯片和封装、 周围环境之间的温度差按以下公式进行计算. Pd Ta Tj ja θ Pd T Tj jt C1 Pd T Tj jc C2 θ 表1 用语说明 项目 解说 θja 结温(Tj)和周围温度(Ta)之间的热阻 ψjt 结温(Tj)和封装外壳表面温度(Tc1)之间的热阻 θjc 结温(Tj)和封装外壳背面温度(Tc2)之间的热阻 θca 封装外壳温度(Tc)和周围温度(Ta)之间的热阻 Tj 结温 Ta 周围温度 Tc1 封装外壳表面(型号面)温度 Tc2 封装外壳背面温度 Pd 最大容许功率 Ta θca θca Tj Tc1 Ta Tc2 θjc ψjt θja 图1封装的热阻 关于热阻 Ver.2013-07-23 -

2 - 结温(Tj)的验证方法(ψjt 已知) 用以下的方法可以估算结温(Tj). ① 先求 IC 的功率(P). ② 在实际组装时的环境条件下,用放射温度计或热电偶来测量封装表面温度 Tc1. ③ 把测得的 Tc1 代入下式后,就可以算出了.

1 C T P jt Tj 如之前讲述的、推荐以 Tj 的最高容许温度的 80%为基准来进行热量设计. 注)本公司测定的θja,ψjt 是实装到以 JEDEC 规格为基准的电路板上时的数值, 但是根据引脚类型 的尺寸、电路板的材质和尺寸、电路板上的布线比率的不同,多少会有些变化,要特别注意. 热阻的测量方法 本公司热阻的测量方法是以[JEDEC 规格]为基准,在以下表示. [测量电路板] 下图是测量电路板的概略图.关于详细信息请查阅 EIA/JEDEC 规格 EIA/JESD51-3/-5/-7. 实装电路板 :EIA/JESD51-3/-5/-7 基准、FR-4 电路板尺寸:2 层114.3*76.2mm、厚度 1.57mm、

4 层(内有铜箔) 114.3*76.2mm、厚度 1.6mm 注)4 层电路板的里面使用有铜箔 1,2(尺寸:74.2*74.2mm、厚度:35um). 铜箔

1 铜箔

2 表面 背面 铜箔 A=76.2mm B=114.3mm C=9.53mm E=2.39mm D=3.96mm F=74.2mm G=1.98m m H=2.54mm

1 mm 1mm A A 1.6mm 1.57mm 0.25mmQAQ0.55mm 表面 背面

2 层电路板

4 层电路板 图2测量电路板概略图 关于热阻 Ver.2013-07-23 -

3 - [TEG芯片] 在本公司为了测量热阻,特别准备了叫 Thermal Test-Element-Group(以下称热量 TEG)的芯片. 它是由电阻元件和二极管构成,电阻元件是作为发热元,二极管则是作为温度传感器使用.以下显 示的是抽象图和等价电路图的一例. 热阻会根据芯片尺寸发生变动,所以在本公司有

3 种芯片尺寸. [K系数] 为了求热阻,就必须要知道结温,但是又不能直接测量结温. 可是,利用结温和二极管顺方向电压(VF)的温度依赖关系,可以得知结温. VF 是温度的一次性函数,它的倾斜率称作 K 系数. F V Tj K [℃/mV] Lo Hi T T Tj Lo Hi F V V V VHi : 高温时的二极管顺方向电压 VLo : 常温时的二极管顺方向电压 [测量环境] 测量时,为了排除外部风的影响,在亚克力箱中以无风的状态下进行的(图4) . 另外,环境温度是用距离 PKG 中心以下 25.4mm 的热电偶来测量的. + 芯片抽象图 等价电路图 3测量电路板概略图 152.4mm 304.8mm 25.4mm 304.8mm 139.7mm 热电偶 测量用 PKG 4测量环境概略图

0 50

100 150

200 环境温度 (℃) VF (V) K 系数 关于热阻 Ver.2013-07-23 -

4 - [测量电路] [测量时间] 1.在器件加热前,先测量让内部二极管以 IM 电流(1mA)流动时的 VF0 值. 2.然后给内部电阻以加热电压 VH 来加热一段时间,等稳定后再测量 IH 值. 3.这时候再测量内部二极管以 IM 电流流动时的 VFSS 值. 注)VH 是在最大保存温度(Tstg-max)左右和前后各

3 点来设定的值. [热阻计算] 根据表

2 可以算出θja 和Ψjt. 表2热阻的计算公式 热阻计算公式 [θja 计算公式] H H F H H I V V K I V Tj ja θ [℃/W] FSS F F V V V

0 [Ψjt 计算公式] H H C F H H C I V T Ta V K I V T Ta Tj jt

1 1 [℃/W] FSS F F V V V

0 [用语说明] VH:加在 TEG 芯片内部电阻的电压 IH:稳定时在 TEG 芯片内部电阻流动的电流 VH IM VF VF0 VFSS 图6测量电路图 VF IM vH GND IH IM 图5测量电路图 关于热阻 Ver.2013-07-23 -

5 - [最大容许功率 Pd] IC 在常温(25℃以下)时的最大容许损失是用各 IC 的绝对最大定额消耗功率(Pd)来规定的. 环境温度超过 25℃时,就需变为对应各 IC 封装的热下降曲线(Derating Curve). 以下显示的是一般的热下降曲线. 图7最大容许功率 25℃ T opr Tj(max) 环境温度 Ta [℃]

125 or 150℃ Pd [mW] 最大容许功率关于热阻 Ver.2013-07-23 -

6 - 标准热阻值一览 表3表示的是各封装的标准热阻值(无风状态)一览. 注意事项:表中的数值是标准值,会根据芯片尺寸、引线框架定位尺寸、电路板规格(材质、布线形式等)等 的不同而改变. 表3热阻值一览 PKG

2 层电路板

4 层电路板 Tj:125℃ Tj:150℃ Tj:125℃ Tj:150℃ θja Ψjt Pd@Ta=25℃ θja Ψjt Pd@Ta=25℃ (℃/W) (℃/W) mW (℃/W) (℃/W) mW DFN4-F1 (ESON4-F1) 2)

300 52

330 415

110 27

905 1135 DFN6-H1 (ESON6-H1) 2)

280 42

355 445

110 26

905 1135 DFN8-U1 (ESON8-U1) 2)

280 43

355 440

110 26

905 1135 DFN8-V1 (ESON8-V1) 2)

215 16

465 580

70 8

1425 1785 DFN8-W2 (ESON8-W2) 2)

195 21

510 640

60 8

1665 2080 DFN6 (SON6)

345 88

285 360

260 69

380 480 DMP8

235 47

425 530

175 40

570 710 DMP8-1

170 31

585 735

115 24

865 1085 DMP14

195 47

510 640

150 40

665 830 DMP16

195 47

510 640

150 40

665 830 DMP20

150 37

665 830

120 33

830 1040 EPCSP32-L2 2)

210 29

475 595

95 16

1050 1315 EPFFP6-A2

370 59

270 335

220 53

450 565 EPFFP10-C4 2)

295 64

335 420

160 55

625 780 EQFN12-E2 2)

285 52

350 435

105 27

950 1190 EQFN12-JE 2)

215 22

465 580

80 10

1250 1560 EQFN14-D7 2)

295 53

335 420

95 26

1050 1315 EQFN16-G2 2)

255 43

390 490

100 26

1000 1250 EQFN16-JE 2)

180 21

555 690

70 11

1425 1785 EQFN18-E7 2)

220 33

450 565

90 22

1110 1385 EQFN24-LK 2)

145 13

685 860

65 8

1535 1920 HSOP8 2)

160 28

625 780

50 12

2000 2500 LQFP48-R3

75 9

1330 1665

45 5

2220 2775 LQFP52-H2

85 11

1175 1470

65 11

1535 1920 LQFP64-H2

65 6

1535 1920

50 5

2000 2500 MSOP8(TVSP8)

215 27

465 580

160 23

625 780 MSOP10(TVSP10)

215 27

465 580

160 23

625 780 MSOP8(VSP8)

210 33

475 595

155 25

645 805 MSOP10(VSP10)

210 33

475 595

155 25

645 805 PCSP12-C3

240 40

415 520

140 33

710 890 PCSP20-CC

225 40

440 555

140 33

710 890 PCSP20-E3

225 40

440 555

130 33

765 960 PCSP24-ED

205 40

485 605

115 26

865 1085 PCSP32-F7

225 24

440 555

115 17

865 1085 PCSP32-G3 2)

205 24

485 605

115 17

865 1085 PCSP32-GD 2)

205 24

485 605

115 17

865 1085 PLCC28

55 10

1815 2270

35 7

2855 3570 QFN24-T1/T2

150 22

665 830

75 15

1330 1665 QFP32-J2

115 17

865 1085

90 15

1110 1385 QFP44-A1

95 17

1050 1315

75 15

1330 1665 QFP48-P1

65 17

1535 1920

50 15

2000 2500 QFP56-A1

105 17

950 1190

80 15

1250 1560 QFP64-H1

70 17

1425 1785

50 15

2000 2500 关于热阻 Ver.2013-07-23 -

7 - PKG

2 层电路板

4 层电路板 Tj:125℃ Tj:150℃ Tj:125℃ Tj:150℃ θja Ψjt Pd@Ta=25℃ θja Ψjt Pd@Ta=25℃ (℃/W) (℃/W) mW (℃/W) (℃/W) mW QFP100-U1

55 5

1815 2270

45 5

2220 2775 SC-88A

355 89

280 350

260 73

380 480 SC-82AB

365 89

270 340

255 72

390 490 SOP8 (EMP8)

180 34

555 690

125 29

800 1000 SOP16-E2 (EMP16-E2)

110 21

905 1135

70 18

1425 1785 SOP22

120 18

830 1040

85 14

1175 1470 SOP28

155 37

645 805

125 33

800 1000 SOP40

135 37

740 925

105 33

950 1190 SOT-23-5 (MTP-5)

260 70

380 480

195 60

510 640 SOT-23-6 (MTP-6)

245 70

405 510

175 60

570 710 SOT-891) 2)

200 67

500 625

130 65

765 960 ........