芯片封装的热阻分析

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)
Copper390
Gold296
Aluminum200
Silicon118
Solder50
Mold Compound0.68
Substrate Dielectric0.2
Still Air0.025
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)
Die147
C4 Bump60
HS/TIM401/1.92
Solder Mask0.42
Substrate PP0.49
Substreate Core0.65
Solder Ball57
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 = 0.32ThetaJB = 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 Resistance0100200300400600700
829.24ThetaJA 2.191.701.321.110.980.830.78
829.24ThetaSA 1.841.350.960.740.600.450.40
833.21ThetaJA 2.141.681.301.100.970.830.78
833.21ThetaSA 1.801.330.940.730.590.440.39
629.24ThetaJA 2.321.801.381.161.010.860.80
629.24ThetaSA 1.961.431.000.770.630.470.41
633.21ThetaJA 2.271.781.371.141.000.850.80
633.21ThetaSA 1.901.410.990.760.620.460.41
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.。