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产品散热设计总结
资料介绍
产品散热需求分析，设计参数分析，仿真验证
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ZHCA592 – January 2014
IC 的热特性-热阻
刘先锋 Seasat Liu，秦小虎 Xiaohu Qin 肖昕 Jerry Xiao
North China OEM Team
摘要
IC 封装的热特性对 IC 应用和可靠性是非常重要的参数。本文详细描述了标准封装的热特性
主要参数：热阻（ΘJA、ΘJC、ΘCA）等参数。本文就热阻相关标准的发展、物理意义及测量方式
等相关问题作详细介绍，并提出了在实际系统中热计算和热管理的一些经验方法。希望使
电子器件及系统设计工程师能明了热阻值的相关原理及应用，以解决器件及系统过热问题。
目录
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5
引言................................................................................................................................................2
热特性基础 .....................................................................................................................................2
热阻................................................................................................................................................2
常用热阻值 .....................................................................................................................................5
有效散热的经验法则.......................................................................................................................6
5.1 选择合适的封装 ......................................................................................................................6
5.2 尽可能大面积的 PCB 覆铜 ....................................................................................................... 6
5.3 增加铜厚度 .............................................................................................................................8
5.4 用散热焊盘和过孔将多层 PCB 连接......................................................................................... 8
5.5 合理的散热结构，不影响散热路径，便于热能的扩散.............................................................. 8
5.6 散热片的合理使用...................................................................................................................9
5.7 选取合适的截面导热材料 ........................................................................................................ 9
5.8 机箱散热.................................................................................................................................9
5.9 不要在散热走线上覆阻焊层................................................................................................... 10
总结..............................................................................................................................................10
参考文献.......................................................................................................................................10
6
7
图表
图 1.
图 2.
图 3.
图 4.
图 5.
图 6.
图 7.
图 8.
图 9.
芯片热阻示意图 .................................................................................................................3
JESD51 标准芯片热阻测量环境示意图 ............................................................................... 4
TO-263 热阻模型图............................................................................................................4
典型的 PCB 扩展热阻模型图 .............................................................................................. 5
ADS58C48 在不同温度和工作电压下的特性 ....................................................................... 6
热阻和铜散热区面积的关系................................................................................................ 7
功耗和铜散热区面积的关系................................................................................................ 7
ADS62C17 建议过孔方案 ................................................................................................... 8
BGA 芯片加散热片后热阻示意图 ....................................................................................... 9
1
ZHCA592
1 引言
半导体技术按照摩尔定理不断的发展，集成电路的密度越来越高，尺寸越来越小。所有集成电路
在工作时都会发热，热量的累积必定导致半导体结点温度的升高，随着结点温度的提高，半导体
元器件性能将会下降，甚至造成芯片损害。因此每个芯片厂家都会规定其半导元体器件的最大结
点温度。为了保证元器件的结温低于最大允许温度，经由封装进行的从 IC 自身到周围环境的有效
散热就至关重要。在普通数字电路中，由于低速电路的功耗较小，在正常的散热条件下，芯片的
温升不会太大，所以不用考虑芯片的散热问题。而在高速电路中，芯片的功耗较大，在自然条件
下的散热已经不能保证芯片的结点温度不超过允许工作温度，因此就需要考虑芯片的散热问题，
使芯片可以工作在正常的温度范围之内。
2 热特性基础
在通常条件下，热量的传递通过传导、对流、辐射三种方式进行。传导是通过物体的接触，将热
流从高温向低温传递，导热率越好的物体则导热性能越好，一般来说金属导热性能最好；对流是
通过物体的流动将热流带走，液体和气体的流速越快，则带走的热量越多；辐射不需要具体的中
间媒介，直接将热量发送出去，真空中效果更好。
热传导的 Fourier 定律 푄 = 휀∁(∆푇)/훿
热对流的 Newton 定律 푄 = 훼∁(∆푇)
热辐射的定律：푄 = 5.67푒−8훽∁(푇4 ꢀ 푇4)
푐
ℎ
其中휀, 훼, 훽为导热系数，换热系数和发射率。C 为换热面积。
3 热阻
半导体器件热量主要是通过三个路径散发出去：封装顶部到空气，封装底部到电路板和封装引脚
到电路板。
电子器件散热中最常用的，也是最重要的一个参数就是热阻（Thermal Resistance）。热阻是描述
物质热传导特性的一个重要指标。以集成电路为例，热阻是衡量封装将管芯产生的热量传导至电
路板或周围环境的能力的一个标准和能力。定义如下：
ꢁ −ꢁ
푗
푥
휃JX
=
公式 1
푃
热阻值一般常用휃表示，其中 Tj 为芯片 Die 表面的温度（结温），Tx 为热传导到某目标点位置的
温度，P 为输入的发热功率。电子设计中，如果电流流过电阻就会产生压差。同理，如果热量流
经热阻就会产生温差。热阻大表示热不容易传导，因此器件所产生的温度就比较高，由热阻可以
判断及预测器件的发热状况。通常情况下，芯片的结温升高，芯片的寿命会减少，故障率也增高。
在温度超过芯片给定的额定最高结温时，芯片就可能会损坏。
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IC 的热特性-热阻
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