確保IC封裝及PCB設計的散熱完整性

假如你現在正在構建一個(gè)專(zhuān)業(yè)設計的電路實(shí)驗板，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(chǎng)商有關(guān)特定封裝獲得良好熱設計的建議方法。你甚至仔細確認了寫(xiě)在紙上的初步熱分析方程式，并確保其不超出IC結點(diǎn)溫度，并有較為寬松的容限。但稍后，你打開(kāi)電源，卻發(fā)現IC摸起來(lái)非常熱。對此，你感到非常不滿(mǎn)，當然散熱專(zhuān)家以及可靠性設計人員更加焦慮?，F在，你該怎么辦？

在談到整體設計的可靠性時(shí)，通過(guò)讓IC 結點(diǎn)溫度遠離絕對最大值水平，在環(huán)境溫度不斷升高的條件下保持你的電路設計的完整性是一個(gè)重要的設計考慮因素。當你逐步接近具體電路設計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封裝熱指標的基礎知識。

到目前為止，封裝熱性能最常見(jiàn)的度量標準是Theta JA，即從結點(diǎn)到環(huán)境所測得（或建模）的熱阻（參見(jiàn)圖1）。Theta JA值也是最需要解釋的內容（參見(jiàn)圖2）。能夠極大影響Theta JA 測量和計算的因素包括：

* 貼裝板：是/否？

* 線(xiàn)跡：尺寸、成分、厚度和幾何結構

* 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）數據現在對使用新JEDEC標準的有引線(xiàn)表面貼裝封裝有效。實(shí)際數據產(chǎn)生于數個(gè)封裝上，同時(shí)熱模型在其余封裝上運行。按照封裝類(lèi)型以及不同氣流水平顯示的Theta JA 值來(lái)對數據分組。

結點(diǎn)到環(huán)境數據是結點(diǎn)到外殼（Theta JC）的熱阻數據（參見(jiàn)圖3）。實(shí)際Theta JC數據會(huì )根據使用JEDEC印制電路板（PCB）測試的封裝生成。

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試——當然JEDEC除外！本文將告訴您在測試您設計的散熱完整性時(shí)如何安全地繞過(guò)這些步驟。

通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)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(huì )發(fā)現額定參量曲線(xiàn)、不同流動(dòng)空氣每分鐘直線(xiàn)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(huì )幫助您不超出器件的最大結點(diǎn)溫度。尤為重要的是堅持廠(chǎng)商和JEDEC建議的封裝布局原則，例如：那些使用QFN封裝的器件。下列各種設計建議可幫助您實(shí)施最佳的散熱設計。

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(shí)際溫度的情況下檢查您散熱設計的實(shí)際好壞程度吧。產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中的Theta JA額定值一般基于諸如JEDEC #JESD51的行業(yè)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(huì )不同，會(huì )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最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最大可能值，以測試極端條件。）

要想獲得最佳結果，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(diǎn)。如果可能，請在電路板底部使用一個(gè)熱絕緣墊，以防止室溫空氣破壞測量。

圖 4 散熱設計改善技術(shù)的 TLC5940 級聯(lián)應用實(shí)例參考

首先，測量出您的IC在其實(shí)際設計環(huán)境（PC板）中的實(shí)際熱阻。然后，將其同“理想”JEDEC 數值對比。您需要一個(gè)具有熱錯誤標志（TEF）或類(lèi)似功能的IC，這種功能可以指示IC結點(diǎn)處的超高溫狀態(tài)。例如，我們使用TI的TLC5940 LED驅動(dòng)器解決方案芯片。一般而言，大多數 IC的最大Tj（查看您的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)獲取實(shí)際數值）約為150℃。就TLC5940 器件來(lái)說(shuō)，TEF的 Tj變化范圍在150℃到170℃ 之間。

此處的測試中，我們只關(guān)心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(zhì)量。如果芯片具有這種散熱片，則對幾塊PC電路板進(jìn)行測試以獲得一些區域（例如：PowerPad）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(shù)。要找到TEF 允許的器件最大Tj，請將PC電路板置入恒溫槽中，同時(shí)器件無(wú)負載且僅運行在靜態(tài)狀態(tài)。緩慢升高恒溫槽溫度，直到TEF被觸發(fā)。出現這種情況時(shí)恒溫槽的溫度點(diǎn)便為T(mén)j，因為T(mén)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，計算 Theta JA。

其次，計算出您電路的最大Pd。將恒溫槽溫度升高到產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)規定的IC最大環(huán)境溫度以上約10或15度（將該溫度記錄為T(mén)a）。這樣做會(huì )使TEF更快地通過(guò)自加熱?，F在，通過(guò)緩慢增加Pd直至TEF斷開(kāi)，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(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)，恒溫槽溫度應被記錄為Pd最大值。

最后，要獲得您電路板的Theta JA，請將測得的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)較好的散熱設計，則該值應接近 IC 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中的Theta JA。

幸運的是，這種測試不依賴(lài)于外殼（Tc）或結點(diǎn)（Tj）的直接溫度測量，因為很難準確地在現場(chǎng)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(gè)忽略因素。

在本文一開(kāi)始提及的情況中，如果您設計的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（參見(jiàn)表1）。

表 1 散熱等級

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