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一、什么是RθJA和RθJMA
RθJA（Junction-to-Ambient）：結(jié)到環(huán)境的熱阻。RθJMA（Junction-to-Moving Air）：結(jié)到流動(dòng)空氣的熱阻。
結(jié)到環(huán)境的熱阻（RθJA）是最常報(bào)告的熱指標(biāo)，也是最容易被誤用的指標(biāo)。RθJA 是衡量特定測(cè)試板上安裝的集成電路（IC）封裝熱性能的一種指標(biāo)。RθJA 的目的是提供一個(gè)可以用來比較不同封裝相對(duì)熱性能的指標(biāo)。
RθJA的測(cè)量按照以下步驟進(jìn)行：
將一個(gè)器件（通常是包含熱測(cè)試芯片的集成電路 [IC]封裝，該芯片既能耗散功率，又能測(cè)量芯片的最高溫度）安裝在測(cè)試板上。
對(duì)測(cè)試芯片的溫度感應(yīng)元件進(jìn)行校準(zhǔn)。
將封裝和測(cè)試板系統(tǒng)放置在靜止空氣（RθJA）或流動(dòng)空氣（RθJMA）環(huán)境中。
在測(cè)試芯片中耗散已知功率。
達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，測(cè)量結(jié)溫。
計(jì)算測(cè)量到的環(huán)境溫度與測(cè)量到的結(jié)溫之間的差值，并將其除以耗散功率，得出 RθJA 的值，單位為 °C/W。
1.1、使用
不幸的是，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員常常使用 RθJA 來估算其器件在其系統(tǒng)中使用時(shí)的結(jié)溫。通常假設(shè)用于從RθJA計(jì)算結(jié)溫的方程是：
這是一種對(duì) RθJA 熱參數(shù)的誤用，因?yàn)?RθJA 并非僅與封裝有關(guān)，它還是許多其他系統(tǒng)級(jí)特性（例如器件所安裝的印刷電路板 [PCB] 的設(shè)計(jì)和布局）的變量函數(shù)。實(shí)際上，測(cè)試板是一個(gè)焊接到器件引腳上的散熱器。改變測(cè)試板的設(shè)計(jì)或配置會(huì)改變散熱器的效率，從而改變測(cè)量到的 RθJA。事實(shí)上，在 JEDEC 定義的靜止空氣 RθJA 測(cè)量中，芯片產(chǎn)生的功率中有近 70% - 95% 是通過測(cè)試板散發(fā)的，而不是從封裝表面散發(fā)的。由于實(shí)際的系統(tǒng)板很少能近似于用于確定 RθJA 的測(cè)試板，因此使用公式 1 應(yīng)用 RθJA 會(huì)導(dǎo)致極其錯(cuò)誤的數(shù)值。
表 1-1 列出了在所有材料保持不變的情況下，可能會(huì)影響給定封裝外形的 RθJA 的因素。第一列列出因素，第二列則給出了關(guān)于該因素影響的大致估算規(guī)則。
表1-1. 影響給定封裝外形的RθJA的因素
鑒于 RθJA 并非僅是封裝本身的特性，而是封裝、PCB 以及其他環(huán)境因素共同作用的結(jié)果，它最適合用于比較不同公司之間的封裝熱性能。例如，器件一手冊(cè)的某封裝的 RθJA 為 40°C/W，器件二相同封裝的 RθJA 為 45°C/W，那么在實(shí)際應(yīng)用中，器件一可能會(huì)比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的器件運(yùn)行溫度低約 10%。
1.2、測(cè)試板的影響
JEDEC 制定了一套用于測(cè)量和報(bào)告集成電路（IC）封裝熱性能的標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)歸屬于 EIA/JESD51 系列。EIAJ/Semi 也有一套熱性能標(biāo)準(zhǔn)，與 JEDEC 版本存在顯著差異。RθJA 并非一個(gè)常數(shù)，因此在嘗試進(jìn)行比較之前，確定用于計(jì)算或測(cè)量 RθJA 的標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。
在 JEDEC 規(guī)范中，允許使用兩種類型的測(cè)試板。1s（單信號(hào)層）配置適用于中等密度布線的多層系統(tǒng)級(jí)印刷電路板（PCB）應(yīng)用，能夠提供典型的使用值。2s2p（雙信號(hào)層、雙埋地電源平面）配置則假設(shè)為低密度布線、高走線密度的板設(shè)計(jì)，并且具有埋藏的電源和地平面，能夠提供最佳性能估計(jì)。圖 1-1 展示了這兩種測(cè)試板在 17 種不同封裝類型下的 RθJA 建模差異。需要注意的是，這些模型中所有材料和封裝幾何形狀均保持不變。
圖 1-1. 不同封裝類型的 1s 與 2s2p PCB 對(duì)比
如圖所示，僅由于1s與2s2p測(cè)試板結(jié)構(gòu)的差異，就可能導(dǎo)致RθJA出現(xiàn)高達(dá)50%的變化。
1.3、芯片尺寸的影響
封裝內(nèi)的芯片或芯片墊如果足夠大，可以起到與散熱器相同的功能。散熱器的作用有兩個(gè)方面。首先，它將芯片的熱點(diǎn)處的熱量擴(kuò)散到封裝表面更廣泛的區(qū)域，從而增加對(duì)流散熱。其次，它增強(qiáng)了從芯片墊到引腳或封裝焊球的熱傳遞，這些引腳或焊球隨后將熱量傳導(dǎo)至印刷電路板（PCB）。圖 1-2 展示了芯片尺寸對(duì)一種基于卷帶的面陣芯片尺寸封裝（CSP）的 RθJA 的影響。如圖所示，這種封裝的 RθJA 隨芯片尺寸的變化幾乎達(dá)到了 8 倍。如果計(jì)劃進(jìn)行芯片縮小化，重新測(cè)量或重新計(jì)算封裝的 RθJA 是非常重要的。
圖1-2. 芯片尺寸對(duì)CSP封裝的影響
1.4、封裝內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)配置
這一主題涉及封裝內(nèi)的布局，無論是傳統(tǒng)的引線框架封裝、小芯片墊（S-pad）封裝、芯片上引線（LOC）封裝，還是球柵陣列（BGA）封裝。封裝內(nèi)部更普通的幾何結(jié)構(gòu)配置也可能對(duì)封裝的熱性能產(chǎn)生重大影響。這些配置包括封裝內(nèi)引線尖端與芯片墊之間的距離（如圖 1-3 所示），甚至是芯片墊與引腳之間的下沉（downset）。在薄型封裝中，后者是一個(gè)特別重要的熱性能指標(biāo)。對(duì)于 BGA 封裝，中介層走線配置的設(shè)計(jì)對(duì)于將熱量從芯片傳導(dǎo)至封裝焊球（進(jìn)而傳導(dǎo)至 PCB）至關(guān)重要。
圖1-3. RθJA與引腳到芯片墊距離的關(guān)系
1.5、海拔
隨著海拔的升高，環(huán)境空氣壓力會(huì)發(fā)生變化，空氣的冷卻效率也會(huì)隨之改變。IBM 表明，與在海平面上運(yùn)行的相同設(shè)備相比，設(shè)備在海拔 8000 英尺處的運(yùn)行溫度預(yù)計(jì)將升高 20%。其他研究者也發(fā)現(xiàn)，風(fēng)扇性能和機(jī)箱內(nèi)部氣流在不同海拔下會(huì)有很大變化。這些影響因素應(yīng)當(dāng)被考慮在內(nèi)，尤其是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)從熱管理角度而言處于臨界狀態(tài)時(shí)。許多大型系統(tǒng)公司都配備了壓力試驗(yàn)箱，用于在不同有效海拔下測(cè)試其系統(tǒng)。通常，這些公司會(huì)在其設(shè)計(jì)中安裝儀器，以測(cè)量在不同大氣壓力下運(yùn)行時(shí)內(nèi)部組件的溫度。表 1-2 列出了從 IBM 的研究中得出的用于降低在海平面上確定的 RθJA 值的乘數(shù)因子。
表1-2. 乘數(shù)因子
1.6、環(huán)境溫度
環(huán)境溫度對(duì)對(duì)流和輻射傳熱有很大的影響。由于熱輻射與溫度的四次方（T?）成正比，隨著溫度的升高，輻射傳熱會(huì)顯著增強(qiáng)。相反，隨著溫度升高，對(duì)流傳熱會(huì)受到不利影響，因?yàn)楦邷叵驴諝饷芏容^低。一般來說，輻射的影響遠(yuǎn)大于自然對(duì)流的影響。某芯片公司熱實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)表明，在 0°C 至 100°C 的環(huán)境溫度范圍內(nèi)測(cè)量時(shí)，RθJA 會(huì)改善約 10% - 20%；也就是說，100°C 環(huán)境下的 RθJA 比 0°C 環(huán)境下的 RθJA 約低 20%。
1.7、功率耗散
器件表面溫度推動(dòng)了封裝的對(duì)流和輻射能量損失。封裝表面溫度越高，向環(huán)境的對(duì)流和輻射散熱就越高效。因此，隨著封裝功率耗散的增加，RθJA 會(huì)降低。對(duì)于功率耗散非常低的情況，由于表面溫度升高很少，RθJA 有時(shí)會(huì)比在額定封裝功率水平下高出 2 - 3 倍。
1.8、有效 RθJA
Theta-ja（RθJA）是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)參數(shù)，它強(qiáng)烈依賴于前面各節(jié)中描述的系統(tǒng)參數(shù)。因此，有時(shí)定義一個(gè) RθJA（有效）是很有用的，如果可以從系統(tǒng)中的熱建?；驕y(cè)量估算出 RθJA（有效），那么在假設(shè)系統(tǒng)中周圍組件的功率不變的情況下，就可以使用公式 1 來計(jì)算結(jié)溫。此時(shí)，公式 1 變?yōu)椋?/p>
在報(bào)告有效 RθJA（RθJA(effective)）值時(shí)，應(yīng)始終定義導(dǎo)致該值的系統(tǒng)條件。
2、RθJC：結(jié)到外殼
結(jié)到外殼的熱阻（RθJC）這一指標(biāo)最初是為了能夠在安裝散熱器時(shí)估算封裝的熱性能而設(shè)計(jì)的。EIA/JESD51-1 指出，RθJC 是“半導(dǎo)體器件工作部分到封裝外殼（外殼）表面（最接近芯片安裝區(qū)域的表面）的熱阻，當(dāng)該表面被適當(dāng)散熱以最小化該表面的溫度變化時(shí)”。盡管目前沒有定義 RθJC 的 JEDEC 規(guī)范，但行業(yè)內(nèi)普遍采用一種測(cè)量 RθJC 的方法。
2.1、銅（Cu）冷板 RθJC 測(cè)量法
這種方法將測(cè)試器件的幾乎所有功率都通過封裝的一個(gè)特定表面?zhèn)鲗?dǎo)出去。根據(jù)散熱器將如何應(yīng)用于器件，這可能是封裝的頂部或底部。通常情況下，是封裝的頂部表面。RθJC 適用于確定芯片與將要安裝散熱器的表面之間的熱阻。
總結(jié)來說，該程序如下：
通常包含熱測(cè)試芯片的集成電路（IC）封裝被安裝在一塊測(cè)試印刷電路板（PCB）上。這通常是一塊JEDEC定義的低介電常數(shù)（low-k）1s0p（單信號(hào)層，無電源平面）PCB，其銅含量較低，以盡量減少通過PCB的熱量損失。
當(dāng)需要測(cè)量封裝頂部時(shí)，封裝被壓裝到銅冷板（一個(gè)帶有循環(huán)恒溫流體的銅塊）上，引腳朝上，封裝外殼與冷板接觸；當(dāng)封裝的主要散熱路徑是通過焊接板進(jìn)入PCB時(shí)，銅冷板則通過PCB與封裝底部接觸。
硅膠熱膏或其他熱界面材料提供冷板與封裝之間的熱耦合。
在測(cè)試樣品周圍提供絕緣材料，以盡量減少寄生熱損失。
對(duì)器件施加功率。
測(cè)量測(cè)試芯片的結(jié)溫。
通過壓在該表面的熱電偶或其他溫度傳感器，測(cè)量與冷板接觸的封裝表面的溫度。
通過將測(cè)量到的溫度差除以耗散功率，計(jì)算出RθJC。
圖2-1. 銅冷板測(cè)量過程
2.2、RθJC 的應(yīng)用
過去對(duì) RθJC 的過時(shí)且不準(zhǔn)確的理解如公式 3 所示。
在這里，封裝的熱性能 RθJA 被報(bào)告為兩個(gè)熱阻之和：RθJC 和 RθCA。RθCA 表示外殼到環(huán)境的熱阻，該公式定義了 RθCA。這個(gè)公式可能適用于金屬外殼封裝，這類封裝的溫度相對(duì)穩(wěn)定，且與印刷電路板（PCB）沒有熱耦合。然而，這種條件并不適用于當(dāng)今與PCB緊密耦合的塑料或陶瓷封裝。現(xiàn)代封裝中常見的大熱梯度使得公式 3 的意義受到質(zhì)疑。
一種傳統(tǒng)但無效的 RθJC 使用方式是計(jì)算系統(tǒng)中運(yùn)行芯片的結(jié)溫。使用熱電偶、紅外相機(jī)或 Fluoroptic? 探頭測(cè)量系統(tǒng)中運(yùn)行器件的外殼溫度。然后錯(cuò)誤地使用公式 4 來計(jì)算結(jié)溫：公式 4：
這里的謬誤在于，在典型的塑料封裝中，只有很小一部分熱量是從封裝的頂表面通過對(duì)流和輻射散發(fā)出去的。許多模型表明，芯片產(chǎn)生的熱量中有 60% - 95% 是通過對(duì)流和輻射從封裝所連接的印刷電路板（PCB）散發(fā)出去的。如果假設(shè)所有功率都是通過頂表面耗散的，那么通過公式 4 計(jì)算出的結(jié)溫將高于實(shí)際值。在有熱裕度的設(shè)計(jì)中，這只是一個(gè)麻煩，但在沒有熱裕度的設(shè)計(jì)中，可能會(huì)錯(cuò)誤地施加限制。這種 RθJC 的局限性可以通過新的熱指標(biāo) ΨJT 來克服，下面將對(duì)其進(jìn)行描述。
公式 5 展示了在某些情況下，當(dāng)一個(gè)高效率的散熱器被應(yīng)用于一個(gè) RθJC 相比 RθJA 較小的器件的頂表面時(shí)，RθJC 的正確應(yīng)用方式：
在這里，Rθ(SA) 表示散熱器到環(huán)境的散熱性能，而 Rθ(CS) 是熱界面材料的外殼到散熱器的熱阻（見公式 7）。環(huán)境溫度是指用于表征 Rθ(SA) 的位置處的溫度，通常距離散熱器有一定距離。這個(gè)公式對(duì)于 RθJC 相比 RθJA 較小的封裝來說是最準(zhǔn)確的，這意味著當(dāng)應(yīng)用足夠高效的散熱器時(shí)，大部分熱量可以通過封裝的頂表面散發(fā)出去。
公式 6 展示了一個(gè)近似公式，如果已知系統(tǒng)配置下的 RθJA，那么無論 RθJA、RθJC 或 Rθ(SA) 的組合如何，該公式都比公式 5 更為準(zhǔn)確。
2.3、Rθ(CS)
如果無法直接測(cè)量 Rθ(CS) 的值，可以使用公式 7 來估算 Rθ(CS)。需要注意的是，這只是一個(gè)估算值，因?yàn)樗雎粤巳魏蝺蓚€(gè)表面之間可能形成的熱界面阻抗。
其中：
T = 封裝與散熱器之間界面層的厚度
k = 熱界面材料的本體熱導(dǎo)率
A = 熱界面材料的應(yīng)用面積
2.4、RθJC(top) 和 RθJC(bot)
一些封裝具有散熱塊或暴露的焊盤等機(jī)制，用于從封裝的頂部、底部或兩個(gè)表面散熱。當(dāng)僅使用一個(gè)表面散熱時(shí)，根據(jù) EIA/JESD51-1 規(guī)范，這個(gè)表面將用于基于 RθJC 的測(cè)量。有時(shí)，即使封裝的暴露焊盤已經(jīng)焊接到了印刷電路板（PCB），設(shè)計(jì)人員也可能會(huì)在封裝的頂部添加散熱器。在這種情況下，為了避免混淆所引用的是哪個(gè)表面，定義 RθJC(top) 和 RθJC(bot) 是合適的。封裝的頂部表面是指遠(yuǎn)離 PCB 的表面，而底部表面是指面向 PCB 的表面。
當(dāng)需要測(cè)量 RθJC(bot) 時(shí)，會(huì)專門制作一塊帶有切口的 PCB，以便封裝的底部表面能夠與銅冷板接觸。當(dāng)封裝的底部表面與銅冷板接觸時(shí)，封裝底部表面的溫度就成為用于計(jì)算外殼溫度與結(jié)溫之間溫差的外殼溫度。
需要指出的是，某些芯片器件手冊(cè)有時(shí)會(huì)使用 Rθ(JP) 這一術(shù)語，即結(jié)到焊盤的熱阻，來指代封裝的結(jié)與暴露焊盤之間的熱阻。無論焊盤是暴露在封裝的頂部還是底部，都會(huì)使用這一術(shù)語。
