結(jié)到環(huán)境熱阻 RθJA 是最常報(bào)告的熱指標(biāo)，也是最常被誤用的指標(biāo)。 RθJA 是對(duì)安裝在特定測(cè)試試樣上的 IC 封裝的熱性能的測(cè)量。 RθJA 的目的是提供一個(gè)指標(biāo)，通過該指標(biāo)可以比較封裝的相對(duì)熱性能。 當(dāng)兩家公司都使用標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試來測(cè)量 RθJA 時(shí)確實(shí)如此，例如 JEDEC 在 EIA/JESD51-x 系列文檔中指定的測(cè)試。 然而，有時(shí)不遵守 JEDEC 條件，也沒有記錄偏離標(biāo)準(zhǔn)的情況。 這些測(cè)試變化會(huì)對(duì) RθJA 的測(cè)量值產(chǎn)生巨大影響。 因此，除非用 RθJA 值報(bào)告測(cè)試條件，否則它們不被認(rèn)可。
RθJA 的測(cè)量使用以下步驟進(jìn)行（總結(jié)自 EIA/JESD51-1、-2、-5、-6、-7 和 -9）：
步驟 1. 一個(gè)設(shè)備，通常是一個(gè)集成電路 (IC) 封裝，包含一個(gè)熱測(cè)試芯片，既可以耗散功率又可以測(cè)量最大芯片溫度，安裝在測(cè)試板上。
步驟 2. 校準(zhǔn)測(cè)試芯片的感溫元件。
步驟 3. 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。
步驟 4. 已知功率在測(cè)試芯片中耗散。
步驟 5. 達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，測(cè)量結(jié)溫。
步驟 6. 計(jì)算測(cè)得的環(huán)境溫度與測(cè)得的結(jié)溫之間的差異，然后除以耗散功率，得出 RθJA 的值，單位為 °C/W。
一、如何使用
系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員經(jīng)常使用 RθJA 來估計(jì)其設(shè)備在其系統(tǒng)中使用時(shí)的結(jié)溫。 通常假設(shè)用于從 RθJA 計(jì)算結(jié)溫的公式是：
這是 RθJA 熱參數(shù)的誤用，因?yàn)?RθJA 不僅是封裝的可變函數(shù)，而且是許多其他系統(tǒng)級(jí)特性的可變函數(shù)，例如安裝部件的印刷電路板 (PCB) 的設(shè)計(jì)和布局。 實(shí)際上，測(cè)試板是一個(gè)焊接在器件引線上的散熱器。 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)得的 RθJA。 事實(shí)上，在靜止空氣 JEDEC 定義的 RθJA 測(cè)量中，芯片產(chǎn)生的幾乎 70%–95% 的功率是從測(cè)試板耗散的，而不是從封裝表面耗散的。 由于系統(tǒng)板很少接近用于確定 RθJA 的測(cè)試試樣，因此使用公式應(yīng)用 RθJA 會(huì)導(dǎo)致極其錯(cuò)誤的值。
表 1 列出了當(dāng)所有材料保持不變時(shí)，可能影響給定封裝外形的 RθJA 的因素。 第一列列出了因素，而第二列給出了關(guān)于該因素影響的經(jīng)驗(yàn)法則估計(jì)。
表 1. 給定封裝外形的影響 RθJA 的因素
鑒于 RθJA 不是封裝本身的特性，而是封裝、PCB 和其他環(huán)境因素的特性，因此最好將其用作不同公司之間封裝熱性能的比較。 例如，如果ST報(bào)告封裝的 RθJA 為 40°C/W，而其他同類的值為 45°C/W，則 ST部件在應(yīng)用中的運(yùn)行溫度可能比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的部件低 10%。
二、測(cè)試影響
JEDEC 已經(jīng)建立了一套用于測(cè)量和報(bào)告 IC 封裝熱性能的標(biāo)準(zhǔn)。 這些標(biāo)準(zhǔn)屬于 EIA/JESD51 保護(hù)傘。 EIAJ/Semi 也有一套與 JEDEC 版本大不相同的熱標(biāo)準(zhǔn)。 RθJA 不是常數(shù)； 因此，在嘗試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，允許使用兩種測(cè)試板類型。 1s（單信號(hào)層）配置為中等填充的多平面系統(tǒng)級(jí) PCB 應(yīng)用提供了典型的使用值。 2s2p（雙信號(hào)層，雙掩埋電源平面）配置提供了最佳情況下的性能估計(jì)，假設(shè)人口稀少、具有掩埋電源和接地平面的高走線密度板設(shè)計(jì)。 圖 1 顯示了針對(duì) 17 種不同封裝類型的這兩個(gè)板的建模 RθJA 差異。 請(qǐng)注意，這些模型的所有材料和封裝幾何形狀都保持不變。
圖 1. 各種封裝的 1s 與 2s2p PCB
如圖所示，作為 1s 與 2s2p 測(cè)試卡結(jié)構(gòu)的函數(shù)，可以預(yù)期多達(dá) 50% 的 RθJA 變化。
三、芯片尺寸影響
本主題涉及封裝內(nèi)的布局，無論是傳統(tǒng)的引線框架封裝、小焊盤 (S-pad) 封裝、片上引線 (LOC) 還是球柵陣列 (BGA) 封裝。 更普通的幾何配置也會(huì)對(duì)封裝熱性能產(chǎn)生重大影響。 這些可能包括如圖 3 所示的封裝中引線尖端和芯片焊盤之間的距離，甚至是焊盤和引線指之間的下陷。 后者是薄封裝中特別重要的熱標(biāo)準(zhǔn)。 在 BGA 中，內(nèi)插器走線配置的設(shè)計(jì)對(duì)于將熱量從管芯傳播到封裝焊球并傳導(dǎo)到 PCB 中很重要。
圖 3. RθJA 與引腳到焊盤距離的關(guān)系
四、環(huán)境溫度
環(huán)境溫度對(duì)對(duì)流傳熱和輻射傳熱有很大影響。 由于熱輻射隨溫度的 4 次方 (T4) 變化，因此隨著溫度升高，輻射傳熱顯著增強(qiáng)。 相反，對(duì)流傳熱會(huì)隨著溫度的升高而受到影響，因?yàn)樵谳^高溫度下空氣密度較小。 一般來說，輻射的影響遠(yuǎn)高于自由對(duì)流的影響。 TI 熱實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)表明，在 0°C 至 100°C 的環(huán)境溫度之間測(cè)量時(shí)，RθJA 提高了約 10% 至 20%； 也就是說，100°C 環(huán)境下的 RθJA 比 0°C 環(huán)境下的 RθJA 低約 20%。
五、功耗
器件的表面溫度會(huì)導(dǎo)致封裝的對(duì)流和輻射能量損失。封裝表面變得越熱，對(duì)環(huán)境的對(duì)流和輻射熱損失就越有效。 因此，RθJA 隨著封裝功耗的增加而降低。 對(duì)于導(dǎo)致表面溫度升高最小的極低功耗，有時(shí)發(fā)現(xiàn) RθJA 比額定封裝功率水平高 2×–3 倍。
六、RθJA 影響
Theta-ja (RθJA) 是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)參數(shù)，它強(qiáng)烈依賴于前面部分中描述的系統(tǒng)參數(shù)； 因此，有時(shí)定義 RθJA（有效）是有用的，它只是在感興趣的系統(tǒng)中運(yùn)行的設(shè)備的 RθJA。 如果可以通過系統(tǒng)中的熱建?；驕y(cè)量來估算 RθJA(effective)，則可以使用公式 1 來計(jì)算結(jié)溫，假設(shè)系統(tǒng)上周圍組件的功率不變。 等式 1 變?yōu)椋?/p>
