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采用Cadence PowerDC对封装和系统实现精确的热分析

为确保产品的高可靠性,在选择IC封装时应考虑其热管理指标。所有IC在有功耗时都会发热,为了保证器件的结温低于最大允许温度,经由封装进行的从IC到周围环境的有效散热十分重要。本文有助于设计人员和客户理解IC热管理的基本概念。在讨论封装的热传导能力时,会从热阻和各“theta”值代表的含义入手,定义热特性的重要参数。

热阻的重要性

半导体热管理技术涉及到热阻,热阻是描述物质热传导特性的一个重要指标。计算时,热阻用“Theta”表示,是由希腊语中的拼写“thermos”衍生而来。热阻对我们来说特别重要。

IC
封装的热阻是衡量封装将管芯产生的热量传导至电路板或周围环境的能力的一个标准。给出不同两点的温度,则从其中一点到另外一点的热流量大小完全由热阻决定。如果已知一个IC封装的热阻,则根据给出的功耗和参考温度即可算出IC的结温。

从结到电路板的热阻,它对结到电路板的热通路进行了量化。通常热阻的测量位置在电路板上靠近封装的1管脚处(与封装边沿的距离小于1mm)。从结到电路板的热阻包括来自两个方面的热阻:从IC的结到封装底部参考点的热阻,以及贯穿封装底部的电路板的热阻。

测量从结到电路板的热阻时,首先阻断封装表面的热对流,并且在电路板距封装位置较远的一侧安装一个散热片。如下所示:

              

                                             测量过程示意图


结到电路板的热特性参数,单位是°C/W,与热阻测量中的直接单通路不同,结到电路板的热特性参数测量的元件功率通量是基于多条热通路的。由于这些结到电路板的热特性参数的热通路中包括封装顶部的热对流,因此更加便于用户的应用。
设计者可以通过热量建模或直接测量的方式确定从结到电路板的热阻和结到电路板的热特性参数的值。对上述任意一种方式,参见下面的步骤:

1.     将功耗控制在适合结到电路板的热阻或结到电路板的热特性参数的范围内。

2.     测定管芯温度,通常用一个芯片上的二极管来实现。

3.     测定在距封装边缘小于1mm处的PCB温度。

4.     测定功耗。

 

热特性及测试条件

IC封装的热特性必须采用符合JEDEC标准的方法和设备进行测量。在不同的特定应用电路板上的热特性具有不同的结果。据了解JEDEC中定义的结构配置不是实际应用中的典型系统反映,而是为了保持一致性,应用了标准化的热分析和热测量方法。这有助于对比不同封装变化的热性能指标。
注意JEDEC标准涵盖了不同的热应用场合。

热建模

采用PowerDC热分析软件可以对封装和系统实现精确的热预测。适当的热模型与经验数据相结合,可以精确地反映实际应用的情况。
用户定义的器件热

    除了焦耳热之外,另一个热源是器件热,器件的发热是半导体Die内部

由于电源和走线的漏电流引起的。

    PowerDC允许用2种格式输入器件热

1. 简单功耗输入,温度是独立的,并且均匀分布于器件内部

2. 导入功耗文件,温度与AC电源的漏电和空间分布有关(见下页)

器件的功耗定义文件

 

封装的标准热参数

 

封装的紧凑型热模型

 

电路设计工具,如PSPICESigrityXcitePI-Extraction用来建立简单的封装热模型。封装可以表示成电阻的形式,以电阻网络的方式连接到电路板上。确认封装模型符合经验数据后,该模型可用来预估封装结构的变化情况,包括:管芯尺寸、裸焊盘尺寸、带有保险丝的引脚、或连接到平面的地线数量。这些假设分析模型对于封装结构的定制能够给出相当精确的预估。


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