深入探討功率集成電路應(yīng)用中的通用熱學(xué)概念
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單芯片功率集成電路的數(shù)據(jù)手冊通常會(huì)規(guī)定兩個(gè)電流限值：最大持續(xù)電流限值和峰值瞬態(tài)電流限值。其中，峰值瞬態(tài)電流受集成功率場效應(yīng)晶體管(FET)的限制，而持續(xù)電流限值則受熱性能影響。數(shù)據(jù)手冊中給出的持續(xù)電流限值，是基于典型電壓轉(zhuǎn)換、室溫條件和標(biāo)準(zhǔn)演示板工況得出的。在特定工作環(huán)境中，實(shí)施有效的熱設(shè)計(jì)對于確保集成電路可靠承載所需電流至關(guān)重要。
為清晰起見，表1列出了穩(wěn)態(tài)電氣參數(shù)與熱參數(shù)的類比關(guān)系。
表1. 參數(shù)轉(zhuǎn)換
從穩(wěn)態(tài)角度來看，電氣領(lǐng)域中電流從高電位流向低電位，傾向于選擇電阻更低的路徑。類似地，在熱領(lǐng)域中，熱能從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域耗散，且通過熱阻更低的路徑會(huì)產(chǎn)生更大的能量耗散。
在功率集成電路應(yīng)用中，通常將結(jié)（裸片）視為熱源，表1中的熱方程可調(diào)整如下：
其中：
TJ是集成電路結(jié)溫。
TA 是環(huán)境溫度。
PLOSS是集成電路功率損耗。
θJA 是結(jié)至環(huán)境熱阻。
根據(jù)公式1，降低集成電路的功率損耗或熱阻，均可幫助減小結(jié)至環(huán)境的溫差(ΔTJA)并改善熱性能。
散熱模式有三種：
熱傳導(dǎo)：通過直接接觸散熱。
熱對流：通過周圍流動(dòng)的流體帶走熱量。
熱輻射：以電磁波的形式散熱。
如圖1所示，在集成電路(IC)應(yīng)用中，熱傳導(dǎo)通常指的是在IC封裝 內(nèi)部通過PCB銅箔進(jìn)行散熱。熱對流通常發(fā)生在IC或PCB表面與周 圍空氣之間。熱輻射無處不在，因?yàn)樗恍枰橘|(zhì)。
計(jì)算不同散熱方式的熱阻：
熱傳導(dǎo)：
其中，L是材料長度或熱傳導(dǎo)距離(m)，k是材料的熱導(dǎo)率[W/(m × K)]， 而A是材料的橫截面積（m2)。
熱對流：
其中，h是熱傳遞系數(shù)[W/(K × m2 )]， Acool是散熱面積
熱輻射：
其中，ε是材料的熱發(fā)射率，σ是斯特凡-玻爾茲曼常數(shù)，Asurf是 表面積(m2)，Tsurf是表面溫度(K)，而Ta則是環(huán)境溫度(K)。
從公式4可見，輻射模式下的熱阻高度依賴于溫度。隨著溫度升高，θradi降低，這使得在實(shí)際場景中針對性地降低θradi頗具難度。因此，后續(xù)章節(jié)將重點(diǎn)探討熱傳導(dǎo)和熱對流模式下的熱阻。
如圖2所示，現(xiàn)引入簡化的熱模型，以評估系統(tǒng)級（板載芯片） 的熱性能。
此模型將 θJA分解為四個(gè)不同的參數(shù)：
θJT (θJCtop): 集成電路結(jié)至外殼熱阻。
θJB: 集成電路結(jié)至板熱阻。
θTA: 集成電路外殼頂部至環(huán)境熱阻。
θBA: 板至環(huán)境熱阻。
這些參數(shù)之間的關(guān)系如下：
一些數(shù)據(jù)手冊將θ和ψ值列為熱參數(shù)，其中θ指實(shí)際熱阻，ψ則表示熱特性值。例如，考慮 θJT 和ψJT：
主要區(qū)別在于，公式6假設(shè)熱能僅通過集成電路外殼頂部耗散，而公式7假設(shè)熱能通過所有可能的路徑耗散。因此，在自然散熱的實(shí)際應(yīng)用中，使用 ψJT而非θJT來計(jì)算結(jié)溫更為準(zhǔn)確：
需要注意的是，ψJT并非熱阻，不具備物理意義；它僅僅從系統(tǒng) 角度表示 TJ與Tcasetop之間的數(shù)值關(guān)系。此外， ψJT無法用于構(gòu)建熱模型。類似的區(qū)別也適用于 θJB和ψJB。
功率集成電路內(nèi)部的散熱主要通過傳導(dǎo)方式進(jìn)行，如公式2所述。表2列出了集成電路封裝中常用材料的熱導(dǎo)率值，這些數(shù)據(jù)可用于評估不同封裝結(jié)構(gòu)的散熱路徑。需要注意的是，這些數(shù)值也會(huì)受到溫度的影響。
表2. 集成電路中不同材料的熱導(dǎo)率
圖3展示了ADI MSE封裝的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，包含焊線和裸露底部焊盤。結(jié)合表2中的數(shù)據(jù)，引入表3以評估不同的散熱路徑。其中熱阻最低的路徑為“裸片-裸片貼裝-底部裸露焊盤”結(jié)構(gòu)。
表3. MSE中的散熱路徑
圖4展示了WLCSP的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。相應(yīng)地，表4提供了WLCSP的詳細(xì)信息，其中強(qiáng)調(diào)熱阻最低的最優(yōu)散熱路徑為“芯片-銅重分布層(RDL)-焊球”結(jié)構(gòu)。
表4. WLCSP中的散熱路徑
圖5展示了ADI LQFN封裝的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。結(jié)合表5可知，熱阻最低的散熱路徑是通過“芯片-銅柱-焊料”及底部裸露焊盤構(gòu)成的。
表5. LQFN中的散熱路徑
如前文所述，熱阻θ是在假設(shè)熱量沿特定方向耗散的條件下計(jì)算得出的，而ψ值則是基于自然散熱條件確定的。在封裝結(jié)構(gòu)中，頂部的環(huán)氧模塑化合物熱導(dǎo)率相對較低，且散熱路徑較長。因此，僅有極少熱能通過頂部耗散，導(dǎo)致Tcasetop接近TJ。根據(jù)公式6和7，ψJT顯著小于θJT。相反，由于大部分熱能通過IC外殼底部和PCB耗散，ψJB值通常與θJB接近。
與頂部覆蓋環(huán)氧層的封裝不同，裸露芯片封裝的芯片厚度更大。圖6展示了帶有裸露芯片的LQFN封裝的典型結(jié)構(gòu)。
頂部額外的硅層降低了熱源至外殼頂部的熱阻(θJT)，從而增強(qiáng)了封裝頂部的散熱能力。然而，在自然散熱條件下，由于其他系統(tǒng)級因素會(huì)影響整體熱阻，裸露芯片封裝并未顯著提升熱性能。裸露芯片封裝的熱優(yōu)勢將在第二部分中詳細(xì)介紹。
功率集成電路數(shù)據(jù)手冊通常會(huì)列出多個(gè)熱參數(shù)以供參考，如圖7所示。由于集成電路封裝的特性，θJCBOTT小于θJT (θJCTOP)，而 ψJT顯著小于θJT (JCTOP)。在自然散熱條件下，使用θJT 計(jì)算 TJ可能會(huì)導(dǎo)致顯著誤差。此外，需要注意θJCBOT與θJB不同，因?yàn)棣?/span>JB表示的是結(jié)與板之間的熱阻，而非結(jié)與IC外殼底部之間的熱阻。
示例中同時(shí)列出了JEDEC和演示板的 θJA值。JEDEC板是根據(jù)JEDEC標(biāo) 準(zhǔn)51-7構(gòu)建的，用于測量熱參數(shù)。通常，JEDEC板的布局未針對 散熱進(jìn)行優(yōu)化，因此其JA值高于演示板。一般而言，JEDEC板上的θJA 反映了集成電路封裝本身的熱性能，而演示板上的θJA 則表示經(jīng)過優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)值。
在功率集成電路(IC)封裝內(nèi)部，熱傳導(dǎo)是主要的散熱模式。根據(jù)封裝內(nèi)部材料的熱特性，部分內(nèi)部路徑的熱阻可能較低。然而，實(shí)際的散熱路徑還會(huì)受到系統(tǒng)級因素的影響，例如裝配方式、印刷電路板(PCB)設(shè)計(jì)、風(fēng)冷散熱、散熱片的使用等。有關(guān) 這些系統(tǒng)級因素的更多細(xì)節(jié)，將在第二部分中介紹。
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