芯片电路热设计指南

半导体器件产生的热量来源于芯片的功耗，热量的累积必定导致半导体结点温度的升高，随着结点温度的提高，半导体器件性能将会下降，因此芯片厂家都有规定半导体器件的结点温度。在普通数字电路中，由于低速电路的功耗较小，在正常的散热条件下，芯片的温升不会太大，所以不用考虑芯片的散热问题。而在高速电路中，芯片的功耗较大，在正常条件下的散热不能保证芯片的结点温度不超过允许工作温度，因此需要考虑芯片的散热问题。
1、热量传递
在通常条件下，热量的传递通过传导、对流、辐射3种方式进行。传导是通过物体的接触，将热流从高温向低温传递，导热率越好的物体则导热性能越好，一般来说金属导热性能最好；对流是通过物体的流动将热流带走，液体和气体的流速越快，则带走的热量越多；辐射不需要具体的中间媒介，直接将热量发送出去，真空中效果更好。
散热时需要考虑3种传热方式。例如使用导热率好的材料，如铜、铝及其合金做导热材料，通过增加风扇来加强对流，通过材料处理来增强辐射能力等。
2、简单热量传递模型
热量分析中引入一个热阻参数，类似于电路中的电阻。如果电路中的电阻计算公式为R=ΔE/I，则对应的热阻对应公式为R=ΔT/P（P表示功耗，单位W, ΔT表示温差，单位℃）。热阻的单位为℃/W，表示功率增加1W时所引起的温升。
考虑集成芯片的热量传递，可以使用如下图形描述

高速电路设计中的散热考虑

在普通的数字电路设计中，我们很少考虑到集成电路的散热，因为低速芯片的功耗一般很小，在正常的自然散热条件下，芯片的温升不会太大。随着芯片速率的不断提高，单个芯片的功耗也逐渐变大，例如：Ｉｎｔｅｌ的奔腾ＣＰＵ的功耗可达到 25W。当自然条件的散热已经不能使芯片的温升控制在要求的指标之下时，就需要使用适当的散热措施来加快芯片表面热的释放，使芯片工作在正常温度范围之内。
通常条件下，热量的传递包括三种方式：传导、对流和辐射。传导是指直接接触的物体之间热量由温度高的一方向温度较低的一方的传递，对流是借助流体的流动传递热量，而辐射无需借助任何媒介，是发热体直接向周围空间释放热量。
在实际应用中，散热的措施有散热器和风扇两种方式或者二者的同时使用。散热器通过和芯片表面的紧密接触使芯片的热量传导到散热器，散热器通常是一块带有很多叶片的热的良导体，它的充分扩展的表面使热的辐射大大增加，同时流通的空气也能带走更大的热能。风扇的使用也分为两种形式，一种是直接安装在散热器表面，另一种是安装在机箱和机架上，提高整个空间的空气流速。与电路计算中最基本的欧姆定律类似，散热的计算有一个最基本的公式：
温差 = 热阻 × 功耗
在使用散热器的情况下，散热器与周围空气之间的热释放的”阻力”称为热阻，散热器与空气之间”热流”的大小用芯片的功耗来代表，这样热流由散热器流向空气时由于热阻的存在，在散热器和空气之间就产生了一定的温差，就像电流流过电阻会产生电压降一样。同样，散热器与芯片表面之间也会存在一定的热阻。热阻的单位为℃/W。选择散热器时，除了机械尺寸的考虑之外，最重要的参数就是散热器的热阻。热阻越小，散热器的散热能力越强。下面举一个电路设计中热阻的计算的例子来说明：
设计要求： 芯片功耗： 20瓦
芯片表面不能超过的最高温度： 85℃
环境温度（最高）： 55℃
计算所需散热器的热阻。
实际散热器与芯片之间的热阻很小，取01℃/W作为近似。则
（R + 0.1）× 20W = 85℃ – 55℃
得到 R = 1.4 ℃/W
只有当选择的散热器的热阻小于1.4℃/W时才能保证芯片表面温度不会超过85℃。
使用风扇能带走散热器表面大量的热量，降低散热器与空气的温差，使散热器与空气之间的热阻减小。因此散热器的热阻参数通常用一张表来表示。如下例：

芯片热设计

(与散热设计相关的几个重要的参数以及如果通过节点温度来判断芯片的温度过高)

随着芯片的集成度、功率密度的日愈提高，芯片的温度越来越成为系统稳定工作、性能提升的绊脚石。必须充分考虑产品的稳定性、工作寿命，环境适应能力等等。而这些都和温度有着直接或间接的关系。数据显示，45%的电子产品损坏是由于温度过高。可见散热设计的重要性。本文主要针对芯片的热设计做简要阐述，希望对您的设计可以起到指导作用。

芯片厂家提供的芯片Datasheet是我们判断的基础依据，所以如何理解Datasheet的相关参数将是我们进行判断的第一步。下面将对Datasheet中常用的热参数逐一说明。

一、 Datasheet中和散热有关的几个重要参数

P–芯片功耗，单位W（瓦）。功耗是热量产生的直接原因。功耗大的芯片，发热量也一定大。

Tc–芯片壳体温度，单位℃。

Tj–结点温度，单位℃。随着结点温度的提高，半导体器件性能将会下降。结点温度过高将导致芯片工作不稳定，系统死机，最终芯片烧毁。

Ta–环境温度，单位℃。

Tstg–存储温度，单位℃。芯片的储存温度。

Rja/θja–结点到环境的热阻，单位℃/W。

Rjc/θjc–结点到芯片壳的热阻，单位℃/W

Ψjt–可以理解为结点到芯片上表面的热阻。当芯片热量只有部分通过上壳散出的时候的热阻参数。

LFM–风速单位，英尺/分钟。

认识了这些参数，接下来我们来学习如何使用他们。

二、如何判断芯片温度是否过高

Datasheet提供的热参数一般有下面几种形式：

提供最大Ta、Tj、P–早期的芯片Datasheet一般都是这种。理论上我们只需要保证芯片附近的环境温度不超过这个指标就可以保证芯片可以正常工作。但是实际并非如此。Ta这个参数是按照JEDEC标准测试而得。JEDEC标准是这样定义的：把芯片置于一块3X4.5英寸的4层PCB中间，环境温度测试探头距离这块PCB的板边缘12英寸。可见我们产品几乎不可能满足这种测试条件。因此，Ta在这里对我们来说，没什么意义。在这种情况下保守的做法是：保证芯片的壳体温度Tc﹤Ta-max，一般来说芯片是可以正常工作的。>br>
直接提供Tc-max–这种情况相对较少，处理也相对简单。只需保证Tc﹤Tc-max即可。>br>
提供Tj、Rjc/θjc、P–近2年来，随着热设计的重要性不断提高，大部分的芯片资料都会提供上述参数。基本公式如下：

Tj=Tc+Rjc*P

只要保证Tj﹤Tj-max即可保证芯片正常工作。

归根结底，我们只要能保证芯片的结点温度不超过芯片给定的最大值，芯片就可以正常工作。

如何设计芯片的散热

(在什么样情况下需要给芯片增加散热措施)

商业、工业用的芯片的环境温度要求一般都是：Ta-max小于70度。那如何保持芯片的周围的环境温度小于他散热的极限值，及如何采用散热措施，比如加散热片、加风扇等散热使产品的散热达到要求呢？下面通过一个简单的计算例子和大家共同探讨。

如何判断芯片是否需要增加散热措施

第一步：搜集芯片的散热参数。主要有：P、Rja、Rjc、Tj等

第二步：计算Tc-max：Tc-max=Tj- Rjc*P

第三步：计算要达到目标需要的Rca：Rca=（Tc-max-Ta）/P

第四步：计算芯片本身的Rca’：Rca’=Rja-Rjc

如果Rca大于 Rca’，说明不需要增加额外的散热措施。

如果Rca小于Rca’，说明需要增加额外的散热措施。比如增加散热器、增加风扇等等。

如前所述，Rja不能用于准确的计算芯片的温度，所以这种方法只能用于简单的判断。而不能用于最终的依据。下面举一个简单的例子：

例：某芯片功耗——1.7W；Rja——53℃/W；Tj——125℃；Rjc——25℃/W，芯片工作的最大环境温度是50℃。判断该芯片是否需要加散热器，散热器热阻是多少。

Tc-max=Tj- Rjc*P
=125℃-25℃/W*1.7W
=82.5℃

Rca=（Tc-max-Ta）/P
=（82.5-50）1.7
=19.12℃/W

Rca’=Rja-Rjc
=53-25
=28℃/W

Rca小于Rca’，所以需要增加散热器。

散热器的热阻假设为Rs，则有：
Rs//Rca’小于Rca
Rs*28/（Rs+28）小于19.12
Rs小于60.29℃/W

所以选用的散热器热阻必须小于60.29℃/W

上面仅是非常简单的例子，当然时间的情况要比这个复杂的多，需要通过仿真软件计算来分析和计算。

功率器件热设计及散热计算

当前，电子设备的主要失效形式就是热失效。据统计，电子设备的失效有55％是温度超过规定值引起的，随着温度的增加，电子设备的失效率呈指数增长。所以，功率器件热设计是电子设备结构设计中不可忽略的一个环节，直接决定了产品的成功与否，良好的热设计是保证设备运行稳定可靠的基础。

功率器件热性能的主要参数
    功率器件受到的热应力可来自器件内部，也可来自器件外部。若器件的散热能力有限，则功率的耗散就会造成器件内部芯片有源区温度上升及结温升高，使得器件可靠性降低，无法安全工作。表征功率器件热能力的参数主要有结温和热阻。

器件的有源区可以是结型器件(如晶体管)的PN结区、场效应器件的沟道区，也可以是集成电路的扩散电阻或薄膜电阻等。当结温Tj高于周围环境温度Ta时，热量通过温差形成扩散热流，由芯片通过管壳向外散发，散发出的热量随着温差(Tj-Ta)的增大而增大。为了保证器件能够长期正常工作，必须规定一个最高允许结温 Tj max。Tj max的大小是根据器件的芯片材料、封装材料和可靠性要求确定的。

功率器件的散热能力通常用热阻表征，记为Rt，热阻越大，则散热能力越差。热阻又分为内热阻和外热阻：内热阻是器件自身固有的热阻，与管芯、外壳材料的导热率、厚度和截面积以及加工工艺等有关；外热阻则与管壳封装的形式有关。一般来说，管壳面积越大，则外热阻越小。金属管壳的外热阻明显低于塑封管壳的外热阻。

当功率器件的功率耗散达到一定程度时，器件的结温升高，系统的可靠性降低，为了提高可靠性，应进行功率器件的热设计。

功率器件热设计
功率器件热设计主要是防止器件出现过热或温度交变引起的热失效，可分为器件内部芯片的热设计、封装的热设计和管壳的热设计以及功率器件实际使用中的热设计。

对于一般的功率器件，只需要考虑器件内部、封装和管壳的热设计，而当功耗较大时，则需要安装合适的散热器，通过其有效散热，保证器件结温在安全结温之内正常可靠的工作。

散热计算
最常用的散热方法是将功率器件安装在散热器上，利用散热器将热量散到周围空间，必要时再加上散热风扇，以一定的风速加强散热。在某些大型设备的功率器件上还采用流动冷水冷却板，它有更好的散热效果。散热计算就是在一定的工作条件下，通过计算来确定合适的散热措施及散热器。

热量在传递过程中有一定热阻。由器件管芯传到器件底部的热阻为Rjc，器件底部与散热器之间的热阻为Rcs，散热器将热量散到周围空间的热阻为Rsa，总的热阻Rja=Rjc+Rcs+Rsa。若器件的最大功率损耗为Pd，并已知器件允许的结温为Tj、环境温度为Ta，可以按下式求出允许的总热阻Rja。
Rja ≤(Tj-Ta)/Pd
则计算最大允许的散热器到环境温度的热阻Rsa为：
Rsa ≤(Tj-Ta)/Pd-(Rjc+Rcs)

为设计考虑，一般设Tj为125℃。在较坏的环境温度情况下，一般设Ta=40℃~60℃。Rjc的大小与管芯的尺寸和封装结构有关，一般可以从器件的数据资料中找到。Rcs的大小与安装技术及器件的封装有关。如果器件采用导热油脂或导热垫后，再与散热器安装，其Rcs典型值为0.1℃/W~0.2℃/W；若器件底面不绝缘，需要另外加云母片绝缘，则其Rcs可达1℃/W。Pd为实际的最大损耗功率，可根据不同器件的工作条件计算而得。这样，Rsa可以计算出来，根据计算的Rsa值可选合适的散热器了。

计算实例
    一功率运算放大器PA02作低频功放，器件为8引脚TO-3金属外壳封装。器件工作条件如下：工作电压Vs为18V，负载阻抗RL为4剑绷魈跫下工作频率可?kHz，环境温度设为40℃，采用自然冷却。

查PA02器件资料可知：静态电流Iq典型值为27mA，最大值为40mA；器件的Rjc(从管芯到外壳)典型值为2.4℃/W，最大值为2.6℃/W。
器件的功耗为Pd：
Pd=Pdq+Pdout
式中Pdq为器件内部电路的功耗，Pdout为输出功率的功耗。Pdq=Iq(Vs+|-Vs|)，Pdout＝Vs2/(4 RL)，代入上式
Pd＝Iq(Vs+|-Vs|)＋Vs2/(4 RL)
＝0.037×(18+18)＋182/(4×4)
=21.6 W
式中，静态电流取37mA。
散热器热阻Rsa计算：Rsa ≤(Tj-Ta)/Pd-(Rjc+Rcs)

为留有余量，Tj设为125℃，Ta设为40℃，Rjc取最大值(Rjc=2.6℃/W)，Rcs取0.2℃/W(PA02直接安装在散热器上，中间有导热油脂)。将上述数据代入公式得：
Rsa≤(125-40)/21.6-(2.6+0.2)≤1.135℃/W
HSO4在自然对流时热阻为0.95℃/W，可满足散热要求。

散热器的选取
    散热器一般是标准件，也可提供型材，由用户根据要求切割成一定长度而制成非标准的散热器。散热器的表面处理有电泳涂漆或黑色氧极化处理，其目的是提高散热效率及绝缘性能。在自然冷却下可提高10%~15%，在通风冷却下可提高3%，电泳涂漆可耐压500V~800V。散热器厂家对不同型号的散热器给出热阻值或给出有关曲线，并且给出在不同散热条件下的不同热阻值。

功率器件使用散热器是要控制功率器件的温度，尤其是结温Tj，使其低于功率器件正常工作的安全结温，从而提高功率器件的可靠性。常规散热器趋向标准化、系列化、通用化，而新产品则向低热阻、多功能、体积小、质量轻、适用于自动化生产与安装等方向发展。合理地选用、设计散热器，能有效降低功率器件的结温，提高功率器件的可靠性。

各种功率器件的内热阻不同，安装散热器时由于接触面和安装力矩的不同，会导致功率器件与散热器之间的接触热阻不同。选择散热器的主要依据是散热器热阻Rtf。在不同的环境条件下，功率器件的散热情况也不同。因此，选择合适的散热器还要考虑环境因素、散热器与功率器件的匹配情况以及整个电子设备的体积、质量等因素。

首先根据功率器件正常工作时的性能参数和环境参数，计算功率器件结温是否工作在安全结温之内，判断是否需要安装散热器，如需安装则计算相应的散热器热阻，初选一散热器；重新计算功率器件结温，判断功率器件结温是否在安全结温范围之内，从而判断所选散热器是否满足要求；对于符合要求的散热器，应根据实际工程需要进行优化设计。

结语
    通过功率器件发热原理的分析和散热计算，可以指导设计散热方式和散热器的选择，保证了功率器件工作在安全的温度范围内，减少了质量问题，提高了电子产品的可靠性。电子设备的可靠性还同元器件、结构、装配、工艺、加工质量等有关，在实际工程应用上，还应通过各种试验取得反馈数据来完善设计，进一步提高电子设备的可靠性。