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集成電路封裝熱阻簡介

集成電路封裝的熱特性對集成電路應用的性能和可靠性至關重要。

熱阻用 "θ "或θ、θja 表示,是在自然或強制對流條件下芯片表面到大氣的熱阻,指的是自然條件下(無通風措施)的值。由於測量是在標準規範條件下進行的,因此不同的基底設計和環境條件會產生不同的結果。θja取決於集成電路封裝、電路板、空氣流通、輻射和系統特性,通常可以忽略輻射效應。θjc 是芯片結到集成電路封裝外殼之間的熱傳導熱阻。封裝外殼可視為封裝外表面的壹個特定點,對於塑料外殼,默認取引腳 1 處;對於裸焊盤封裝,默認取焊盤中心處。θjc 取決於封裝材料(引線框架、模塑塑料、磁芯粘合材料)和具體的封裝設計(磁芯厚度、裸焊盤、內部散熱孔和所用金屬材料的導熱系數)。指從管殼到周圍環境的熱阻,包括從封裝外表面到周圍環境的所有散熱路徑的熱阻。幾個參數之間的關系可用下式表示:

IC 封裝的熱阻是衡量封裝將內核產生的熱量傳導到電路板或周圍環境的能力的指標。給定兩個不同點的溫度,從壹點到另壹點的熱流量完全由熱阻決定。如果已知 IC 封裝的熱阻,則可根據給定的功耗和參考溫度計算出 IC 的結溫。

為了確保產品具有較高的可靠性,在選擇 IC 封裝時應考慮熱管理指標。所有集成電路在消耗功率時都會產生熱量,為了確保器件的結溫低於最高允許溫度,集成電路通過封裝向周圍環境的有效散熱就顯得非常重要。通過壹定的技術手段和計算公式,可以得到較為準確的結(內核)溫度、殼(封裝)溫度和電路板溫度。

集成電路在封裝完成後,其熱阻θjc 壹般是固定不變的。熱阻的測量方法壹般可分為直接法和間接法兩種。紅外測試法屬於直接法,它是用紅外測溫儀對著發熱芯片的表面進行測試,可以得到 Tc、Tj,但為了得到 Tj 需要打開電路,可能會損壞內引線和芯片,所以直接法的局限性較大。

間接法(又稱電法)的測量原理是利用對溫度敏感的參數進行溫度指示。通常是測量恒定正向小電流下晶體管發射極和基極電壓的 UBE,而 UBE 隨溫度的變化是有規律的。對於矽器件,絕對零度時的 UBE 值為 1267mV,鍺為 800mV,誤差在 2% 以內。


與雲端自動同步
與雲端/便攜式設備同步無需手動交互。在二極管的情況下,正向偏置電壓與溫度呈線性關系,因此可將其用作溫度敏感參數。

由於實際芯片不壹定具有易於測量的二極管引腳,而且許多封裝需要在實際芯片封裝之前測量封裝的熱阻,因此大多數封裝都使用熱測試芯片來測量封裝的熱阻。制造熱測試芯片有很多廠家的產品可供選擇,壹般的熱測試芯片包括溫度傳感元件、加熱電阻以及用於連接的金屬墊,有些芯片之間還有橋接設計,可以讓芯片做不同區域的組合。

而封裝廠在測量芯片熱阻時通常采用的是標準芯片法,即在芯片中做幾個用於產生功耗的電阻,在芯片中心等位置放置小尺寸晶體管,通過測量晶體管的熱參數(正UBE)得出芯片的溫度。然後根據公式直接計算出熱阻。使用標準化芯片測量各種封裝的熱阻可以獲得準確的結果。但是,由於標準芯片的生產成本昂貴,因此只有少數制造商接受。

使用標準測量方法測量熱阻值在設計應用中仍需註意壹些關鍵點,當系統環境與標準測試環境同時不同時(如 PCB 的尺寸和風速),熱阻值也會不同、所以使用標準方式測量的熱阻值最好是用作性能比較或數值驗證,實際設計中使用的數值僅供參考,否則會產生較大的誤差。為了克服這壹缺陷,人們開發了壹種新技術--精細建模,希望通過更詳細的測量和模擬,使熱阻值成為熱阻網絡,從而在系統設計中應用時不會受環境影響太大。盡管如此,由於測量過程的復雜性,這種方法並未得到廣泛應用。

經過這段時間查閱資料了解到,在封裝形式、材料和工藝都比較相似的條件下,集成電路的θjc基本不變,所以如果不是在非常嚴格的情況下,可以直接參考壹些國際大公司的θjc熱阻值進行參考和估算。而我們需要了解熱阻的定義和應用,才能更好地判斷某些封裝的熱特性。

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