芯片封装的热阻分析

概述

半导体器件散热的三个主要途径是:

• 封装顶部到空气，或者封装顶部到散热片再到空气
• 封装底部到电路板
• 封装引脚到电路板

在JEDEC中以热阻Theta来表示，其中ThetaJA参数综合了Die的大小, 封装方式，填充材料，封装材料，引脚设计，外部散热片和外部电路板的属性多个因素；ThetaJC和ThetaJB这2个参数是表征芯片和封装本身的，不会随着芯片封装外部环境的改变而改变。

关于芯片外部温度的趣事

半导体元器件"烫手"未必不正常，55C摄氏温度就会让人感觉发烫，很多大功率的芯片，表面温度可以达到85C摄氏度以上。

对于Thermal测量的几个参数的困惑

JEDEC对芯片封装的热性能参数的定义
热阻参数

• ThetaJA，结到空气环境的热阻，= (Tj-Ta)/P
• ThetaJC，结到封装外壳的热阻，= (Tj-Tc)/P, 一般而言是到封装顶部的热阻，所以一般的，ThetaJC = ThetaJT
• ThetaJB，结到PCB的热阻， = (Tj-Tb)/P

热特性参数

• PsiJT，结到封装顶部的热参数，=(Tj-Tt)/P
• PsiJB, 结到封装底部的热参数，=(Tj-Tb)/P

其中:

• Tj - 芯片结温
• Ta - 芯片环境温度
• Tb - 芯片底部的表面温度
• Tc/Tt - 芯片顶部的表面温度

按照JESD测量方法得出的ThetaJA热阻参数是对封装的品质度量，并非是application specific的热阻参数，只能是芯片封装的热性能品质参数的比较，不能应用于实际测量和分析中的结温预测。
PsiJT和PsiJB和ThetaXX参数不同，并非是器件的热阻值，只是数学构造物。

ThetaJA 结到空气环境的热阻

ThetaJA是最常使用的热阻参数，也是最容易引起误解的参数。

IDT公司的定义
ThetaJA = (Tj - Ta)/P

ThetaJA = (ThetaJB + ThetaBA) || (ThetaJC + ThetaCA);
其中ThetaXY = (Tx - Ty)/P

Altera公司的定义

• Without a heat sink, ThetaJA = ThetaJC + ThetaCA = (Tj - Ta)/P
• With a heat sink , ThetaJA = ThetaJC + ThetaCS + ThetaSA = (Tj - Ta)/P

实际上，Altera公司对加散热器的ThetaJA的定义不够严谨，散热器的引入相当于增加了一个散热通道，即增加了从管壳(Case)到散热器(heat Sink)的散热通道，所以加入散热器后，
ThetaJA(heat sink) = ThetaJC + ( ThetaCA || ( ThetaCS + ThetaSA) )
由于ThetaCA >> (ThetaCS + ThetaSA), 所以上式才可以近似化简为:
ThetaJA = ThetaJC + ThetaCS + ThetaSA, 其中ThetaCS通常是导热硅脂或者硅胶, 热阻非常小

TI公司的定义
根据TI文档spra953c的描述, JESD定义ThetaJA的初衷是为了一种封装的相对热阻性能可以被互相比较，比如TI公司的某个芯片的热阻性能和其它公司的热阻性能做对比，前提是两家公司都是用JESD51-x中规定的标准方法来做测试，但是大部分芯片的热阻系数不会严格按照JESD51中规定的标准方法进行测量。
TI的文档中总结了EIA/JESD51-1, -2, -5, -6, -7, and -9中测量ThetaJA的标准方法:

1. 一个器件，通常是一个封装好的集成电路，其中包含做热性能测试的硅片，可以准确测量其功耗和最大芯片结温。该集成电路被安装也在一个测试电路板上.
2. 校准测试芯片的温度传感单元
3. 被测芯片和测试板放在静止的空气(ThetaJA)或者流动的空气(ThetaJMA)环境中
4. 被测芯片上电消耗已知或者可测量的功率
5. 被测芯片的功耗和温度达到稳定状态，测量芯片的结温
6. 被测芯片的结温和测量点的温度值二者的差值除以功耗，就可以得到ThetaJA(C/W)

得到ThetaJA之后，硬件系统设计人员通常会依据下面的公式推导芯片的结温:
Tj = Ta + (Power * ThetaJA)

然而，ThetaJA这个参数不仅仅是和封装相关的参数，还和系统级的设计诸如PCB板和散热片有着强相关，改变PCB的设计，板材，层数和覆铜，都会极大改变ThetaJA的值。

Factors Affecting ThetaJA	Strength of Influence (rule of thumb)
PCB design	strong (100%)
Chip or pad size	Strong (50%)
Internal package geometrical configuration	strong (35%)
Altitude	Strong (18%)
External ambient temperature	Weak (7%)
Power dissipation	Weak (3%)

Altera公司也提供了一个比较数据，用EP2S15器件作实验，EP2S15是Altera公司一款672管脚封装(FineLine BGA)芯片，当采用JEDEC 2s2p的测试板时，在静止的空气环境中测量Power, Tj, Ta推导出来的ThetaJA = 12.2C/W; 而采用10层PCB板(Dimension=2002001.6mm, Layer thickness and copper coverage = 25um and 50%)时，在静止的空气环境中测量Power, Tj, Ta推导出来的ThetaJA = 8.6C/W，二者相差几乎40%。

因此，ThetaJA并非表征芯片封装热特性的参数，而是表征封装，PCB和其它环境因素综合的散热特性的参数。推荐这个参数用于比较不同厂家在等同测试条件下的散热特性，比如A公司的芯片的ThetaJA= 40C/W，而B公司同类芯片的ThetaJA = 45C/W, 那么B公司的芯片要比A公司的芯片发热多10%。

但是，假如可以针对整个系统做热仿真并且考虑全部的因素(包括芯片Die的大小, 封装类型/大小, 散热片大小/特性, 实际使用的PCB板, 海拔等等), 采用系统级的热模型和仿真测量工具，得到的ThetaJA参数，那么整个ThetaJA的可用性还是很高的，仍然可以用下面这个公式比较精确的推导出芯片的结温:
Tj = Ta + (Power * ThetaJA)
为了区别对待，我们把通过系统级热仿真和测量得到的ThetaJA叫做ThetaJAE (E = Effective)
所以，上式变成
Tj = Ta + (Power * ThetaJAE)

ThetaJC (Junction to Case) 结到封装外壳的热阻

不是很严格的说，一般的，所谓的Case“封装外壳”是指芯片封装上可以贴散热片的地方，下面三个图分别显示了Tc的可能位置。
同时Tc是相对于Tb而言的，Tb是指封装外壳面向PCB或者紧贴PCB板的那一面。

JESD引入ThetaJC的初衷是为了评估有散热片的条件下封装的散热特性，为此EIA/JESD51-1中定义ThetaJC为"从半导体器件工作处到芯片封装的外表面的热阻，芯片封装的外表面指最接近散热片的安装处"，对于FC-BGA封装类型的芯片，"Case"就是芯片封装的top。
ThetaJC的测量是通过将封装直接放置于一个"无限吸热"的装置上进行的，该装置通常是一个液冷却的铜片，能够在无热阻的情况下吸收任意多的热量。这种测量方式假定从芯片的Junction到封装表面的热传递全部由传导的方式进行。
需要特别注意的是，ThetaJC是表征芯片管芯到管壳的热阻，是无法通过外部加装散热器来减少这个值的，所以，一旦ThetaJC非常大，即意味着这种封装无法通过加装散热器来解决。
如下图所示

TO-92封装的ThetaJC高达83.3C/W，即使为此管壳的温度恒定不变，1W的功耗也能是它的温度升高83.3C。
通常ThetaJC的测量，是在芯片可以加装散热片部位的中心店，采用热电偶测量到的温度作为Tc，在已知此时Power的情况下，通过下式得出ThetaJC
ThetaJC = (Tj - Tc)/P

ThetaJB (Junction to Bottom) 结到封装底部靠近PCB或者紧贴PCB的热阻

通常ThetaJB的测量，是在PCB板靠近芯片封装1mm的地方，采用热电偶测量到的温度作为Tb，在已知此时Power的情况下，通过下式得出ThetaJB
ThetaJB = (Tj - Tb)/P

散热片的热阻 ThetaSA

如图所示散热片的热阻，纵坐标是ThetaSA，横坐标表示强迫风冷的风速，可以看出，在周围空气静止的情况下，散热器的热阻ThetaSA= 10.3C/W。
在环境风速达到800LPM时候，散热器的热阻ThetaSA= 1.5C/W。

不同封装的热阻系数

SOP封装

普通SOP封装散热性能很差,SOP封装本身有很高的热阻，对外的热量传递主要有三个途径:

1. Die的热量通过封装材料(mold compound)传导到器件表面，再靠空气对流散热，本身器件是低导热的封装材料，影响散热效率
2. Die的热量通过PAD到器件底部和PCB接触的地方，通过PCB散热
3. Die通过引线框架(lead frame)传递到PCB，lead frame和Die之间是极细的键合线(Golden wire), 因此Die和lead frame之间存在很大的热阻

下图是一种改进型的SOP封装, PAD从封装底部外露，并焊接在PCB表面，或者在PAD底部焊接一个金属块，焊接与PCB表面，消除了封装材料和空气之间的大热阻

FCBGA封装

早前的FC-BGA封装由于芯片顶部采用Mould Compound，导热效率很差，80%以上的热量都是从芯片的底部通过PCB散发出去的，如下图所示。

新型的FC-BGA封装为了达到比较高的散热效率，去掉了导热效率很差的Mould Compound，顶部采用铝制的Lid，Lid和Die之间填充导热效率非常高的Thermal Grease，Lid可以起到heat spreader的作用; 同时C4 bump和substrate之间也有underfill Expoxy，从substrate到BGA BALL会增加一些thermal vias。

各种不同封装材料的导热系数, 可以看出Mold Compound的导热系数要比金属材料差3个数量级。

Material Type	Conductivity (W/m.K)
Copper	390
Gold	296
Aluminum	200
Silicon	118
Solder	50
Mold Compound	0.68
Substrate Dielectric	0.2
Still Air	0.025

所以在一些文档上宣称的，FC-BGA的大部分热量是从底部通过BGA BALL和PCB走的，这是针对Mold Compound的封装而言。对于采用铝制的Lid，同时Lid和Die之间填充Thermal Grease，大部分的热量实际是从顶部走的。

散热片

前面也提到，如果芯片封装内部的ThetaJC和ThetaJB本身就很大，那么依靠外部的散热片时无法解决散热问题。散热片只有在芯片封装本身可以顺利把热量传导到芯片封装表面或者底部的时候才可以发挥作用，散热器的根本作用是增加芯片表面的散热面积
没有加散热片时，芯片从封装表面的散热路径
(注:为了简化说明问题，没有列出从结到封装底部的散热路径)

增加散热片之后，芯片从封装表面的散热路径

实际的FC-BGA封装散热系数仿真分析结果和工程应用

增加散热片的FC-BGA封装的热阻系数

如下图所示的一个实际的FC-BGA封装的芯片，评估功耗是29.24Watts, 芯片周围的环境温度是55C, 风速{0, 100, 200, 300, 400, 600, 700} ，仿真的环境采用Jedec规定。

芯片封装的各个部分的导热系数如下：

Component	Conductivity (W / mK)
Die	147
C4 Bump	60
HS/TIM	401/1.92
Solder Mask	0.42
Substrate PP	0.49
Substreate Core	0.65
Solder Ball	57

Note1: HS = Heat Spreader, it is the Lid
Note2: TIM is the Thermal Interface Material b/w Die and HS, it is 1.92, but coz it is very slim, so the final thermal resistance is small.
可以看出从Junction => Die => TIM => Lid (Heat Spreader)一路上的导热系数都是很大的，即热阻都很小, 所以Junction的大部分热量都是散发到顶部的，这时候加装散热片就非常有效。
计算得出Package本身的热阻值:
ThetaJC = 0.32 ThetaJB = 0.81

这两个值是个恒定值，不随散热片，环境温度，风速，PCB等这些package之外的因素而变化。
当Ta = 55C, 采用8层板和6层板在不同风速下ThetaJA的值如下:

PCB Layers	Power (Watts)	Thermal Resistance	0	100	200	300	400	600	700
8	29.24	ThetaJA	2.19	1.70	1.32	1.11	0.98	0.83	0.78
8	29.24	ThetaSA	1.84	1.35	0.96	0.74	0.60	0.45	0.40
8	33.21	ThetaJA	2.14	1.68	1.30	1.10	0.97	0.83	0.78
8	33.21	ThetaSA	1.80	1.33	0.94	0.73	0.59	0.44	0.39
6	29.24	ThetaJA	2.32	1.80	1.38	1.16	1.01	0.86	0.80
6	29.24	ThetaSA	1.96	1.43	1.00	0.77	0.63	0.47	0.41
6	33.21	ThetaJA	2.27	1.78	1.37	1.14	1.00	0.85	0.80
6	33.21	ThetaSA	1.90	1.41	0.99	0.76	0.62	0.46	0.41

热阻系数的工程应用

通常情况下，对于自己有热设计能力的客户，只提供ThetaJC和ThetaJB就足够了，客户自己会选择合适的heat sink和PCB做热仿真；
对于无自己热设计能力的客户，需要额外提供给尽量接近实际情况的ThetaJA值，以方便客户评估。
如果已经芯片功耗P的情况下，以下三种方案都可以得到芯片Tj的评估值

1. 如果实际的PCB板设计和散热片和最初仿真ThetaJA的环境一直，那么ThetaJA还是有比较高的可信度的，测量芯片周边的空气温度Ta
   通过 Tj = Ta + (ThetaJA * P) 可以推导出此时的结温
2. 在芯片表面和散热片直接放置热电偶测量所得Tc
   通过 Tj = Tc + (ThetaJC * P) 也可以推导出此时的结温，这个方法在上个方法中应该是最准确的
3. 在距离芯片封装1mm处的PCB上测量Tb
   通过 Tj = Tb + (ThetaJB * P) 也可以推导出此时的结温，这个方法最不准确，因为PCB板上的温度受环境的影响太大，而且只能测量PCB板表面的温度

进一步的讨论

Psi-jc的测量和应用

在自然对流条件下，推荐使用Psi-jc来计算Tj
前提是所有的环境条件参数(PCB, 材质, 结构件和系统设计等)都要和仿真时采用的条件一致
Psi-jc = (Tj - Tc)/Power
仿真条件遵循规范 JEDEC 51-2

Theta-jc的测量和应用

在强制对流条件下或者由散热片的条件下，推荐使用Theta-jc。
通常而言，系统设计人员倾向于使用Theta-jc分析worst case条件下的Tj。

Theta-jc = (Tj - Tc)/Power
仿真条件遵循规范 JEDEC 51-1 & SEMI G30-88 & MIL-STD-883

参考文档

1. Thermal Considerations in Package Design and Selection, APPLICATION NOTE, AN-842, Revision A, 05/12/2014, IDT Corporatoin
2. Thermal Management for FPGAs, Application Note, AN-358-4.0, Altera Corp. March 2012
3. Semiconductor and IC Package Thermal Metrics, Applicatoin Report, SPRA953C-December 2003-Revised April 2016, Darvin Edwards, Hiep Nguyen, Texas Instruments Incorporated
4. Flip Chip Ball Grid Array Package Reference Guide, Literature Number: SPRU811A, May 2005, Texas Instruments Incorporated
5. Maxim Integrate: https://www.maximintegrated.c...
6. IC的热特性-热阻, Application Report, ZHCA592, January 2014, 刘先锋, 秦小虎, 肖昕

JEDEC：
JEDEC specifications are available at: JEDEC. Note that the JEDEC standards cover different thermal applications.

JEDEC Specification Titles
JESD51: Methodology for the Thermal Measurement of Component Packages (Single Semiconductor Device)

1. JESD51-1: Integrated Circuit Thermal Measurement Method—Electrical Test Method (Single Semiconductor Device)
2. JESD51-2: Integrated Circuit Thermal Test Method Environmental Conditions—Natural Convection (Still Air)
3. JESD51-3: Low Effective Thermal Conductivity Test Board for Leaded Surface Mount Packages
4. JESD51-4: Thermal Test Chip Guideline (Wire Bond Type Chip)
5. JESD51-5: Extension of Thermal Test Board Standards for Packages with Direct Thermal Attachment Mechanisms
6. JESD51-6: Integrated Circuit Thermal Test Method Environmental Conditions—Forced Convection (Moving Air)
7. JESD51-7: High Effective Thermal Conductivity Test Board for Leaded Surface Mount Packages
8. JESD51-8: Integrated Circuit Thermal Test Method Environmental Conditions—Junction-to-Board
9. JESD51-9: Test Boards for Area Array Surface Mount Package Thermal Measurements
10. JESD51-10: Test Boards for Through-Hole Perimeter Leaded Package Thermal Measurements.
11. JEDEC51-12: Guidelines for Reporting and Using Electronic Package Thermal Information.