芯片热设计注意事项_芯片的结温和内部热阻-优快云博客

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1 概述

出于可靠性原因，处理大功率的集成电路越来越需要达到热管理要求。所有半导体都针对结温(TJ )规定了安全上限，通常为150°C(有时为175°C)。与最大电源电压一样，最大结温是一种最差情况限制，不得超过此值。在保守设计中，一般留有充分的安全裕量。请注意，这一点至关重要，因为半导体的寿命与工作结温成反比。简单而言，IC温度越低，越有可能达到最长寿命。

2 散热设计基础

一般用符号θ来表示热阻。热阻的单位为°C/W。除非另有说明，热阻指热量在从热IC结点
传导至环境空气时遇到的阻力。也可更具体地表示为θJA ，即结至环境热阻。θJC和θCA是θ的
两种其他形式，详见下文。

一般地，热阻θ等于100°C/W的器件在1W功耗下将表现出100°C的温差，该值在两个参照
点之间测得。请注意，这是一种线性关系，因此，在该器件中，1 W的功耗将产生100°C的温差。对于AD8017AR，θ约为95°C/W，因此，1.3 W的功耗将产生大约124°C结至环境温差。当然，预测内部温度时使用的正是这种温度的上升，其目的是判断设计的热可靠性。当环境温度为25°C时，允许约150°C的内部结温。实际上，多数环境温度都在25°C以上，因此，可以处理的功耗会稍低。

对于任意功耗P(单位：W)，都可以用以下等式来计算有效温差(ΔT)(单位：°C)：

$\Delta T=P*\Theta$

其中， $\Theta$ 为总适用热阻。

$\Theta _{JA}$ 是芯片Die表面到周围环境的热阻，单位是°C/W。周围环境通常被看作热“地”点。 $\Theta _{JA}$ 取决于IC封装、电路板、空气流通、辐射和系统特性，通常辐射的影响可以忽略。

$\Theta _{JC }$ 是芯片Die表面到封装外壳的热阻，外壳可以看作是封装外表面的一个特定点。 $\Theta _{JC }$ 取决于封装材料(引线框架、模塑材料、管芯粘接材料)和特定的封装设计(管芯厚度、裸焊盘、内部散热过孔、所用金属材料的热传导率)。

请注意，串行热阻(如右侧的两个热阻)模拟的是一个器件可能遇到的总热阻路径。因此，在计算时，总θ为两个热阻之和，即θ JA = θJC + θCA 。给定环境温度TA 、P和θ，即可算出TJ。根据图中所示关系，要维持一个低的TJ ，必须使θ或功耗(或者二者同时)较低。低ΔT是延长半导体寿命的关键，因为，低ΔT可以降低最大结温。

3 散热

对于PCB散热器，要使用面积尽量大的铜片
与1)相结合，要使用多个(外部)PCB层，用多个过孔连接起来
根据实际情况尽量使用质量较重的铜(最好是2盎司或以上)
在系统中提供充足的天然通风出入口，以便热能从热的PCB表面自由散开
使功耗消散PCB层垂直朝向，促进散热器区域的气流对流
针对精密运算放大器应用，考虑使用外部功率缓冲级
对于需要在有限空间下耗散数瓦特的情况，考虑使用强制通风方法
不要在散热走线上覆盖阻焊层
不要在供电IC上使用过大的电源电压

然而，第9项却需要稍加说明。每当应用只需要适中的电压摆幅时(如标准视频、2V p-p)，通常可以使用宽电源电压范围。但是，如下图中的数据所表明的那样，在较高的电源电压下，运算放大器驱动器的运行会产生较大的IC功耗，即使负载功率恒定不变亦是如此。
在这种情况下，只要应用的失真性能不恶化，就应该为IC提供较低的电压，如±5 V而非±15 V。

4 数据转换器散热考虑

表面上看，我们可能会假定，ADC或DAC的功耗在既定电源电压会保持不变。然而，许多数据转换器(尤其是CMOS类)的功耗高度依赖于输出数据负载和采样时钟频率。由于许多新型高速转换器在最差工作条件下可能消耗最多1.5 W至2 W的功率，因此，我们必须清楚地了解这一点，以确保安装封装时，使最高预期工作温度下的结温保持于可接受限值之内。
高性能ADC(尤其是带有并行输出者)的数字输出的负载不宜过大(5-10 pF)，以防止数字瞬变电流导致SNR和SFDR下降。然而，即使在小输出负载下，多数CMOS和BiCMOS ADC的功耗也仍然是采样时钟频率的函数，有时则为模拟输入频率和幅度的函数。

下图展示了AD9245 14位、80 MSPS、3 V CMOS ADC在数据线路的模拟输入为2.5 MHz
且输出负载为5 pF时，功耗与频率之间的关系。图中分别展示了数字和模拟电源电流以及总功耗。请注意，当采样频率在10 MSPS与80 MSPS之间变化时，总功耗可能在310 mW至380 mW范围内变化。