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确保IC封装及PCB设计的散热完整性

2011-01-19 11:16
潇纵
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  假如你现在正在构建一个专业设计的电路实验板,已经完成了layout前所有需要进行的仿真工作,并查看了厂商有关特定封装获得良好热设计的建议方法。你甚至仔细确认了写在纸上的初步热分析方程式,并确保其不超出IC结点温度,并有较为宽松的容限。但稍后,你打开电源,却发现IC摸起来非常热。对此,你感到非常不满,当然散热专家以及可靠性设计人员更加焦虑。现在,你该怎么办?

  在谈到整体设计的可靠性时,通过让IC 结点温度远离绝对最大值水平,在环境温度不断升高的条件下保持你的电路设计的完整性是一个重要的设计考虑因素。当你逐步接近具体电路设计中央芯片的最大功耗水平(Pd最大值)时更是如此。

  进行散热完整性分析的第一步,是深入理解IC封装热指标的基础知识。

  到目前为止,封装热性能最常见的度量标准是Theta JA,即从结点到环境所测得(或建模)的热阻(参见图1)。Theta JA值也是最需要解释的内容(参见图2)。能够极大影响Theta JA 测量和计算的因素包括:

  * 贴装板:是/否?

  * 线迹:尺寸、成分、厚度和几何结构

  * 方向:水平还是垂直?

  * 环境:体积

  * 靠近程度:有其他表面靠近被测器件吗?

  

  图 1 电气网络 Theta-JA 分析

  

  图 2 Theta-JA 解释

  热阻(Theta JA)数据现在对使用新JEDEC标准的有引线表面贴装封装有效。实际数据产生于数个封装上,同时热模型在其余封装上运行。按照封装类型以及不同气流水平显示的Theta JA 值来对数据分组。

  结点到环境数据是结点到外壳(Theta JC)的热阻数据(参见图3)。实际Theta JC数据会根据使用JEDEC印制电路板(PCB)测试的封装生成。

  

  图 3 Theta-JC 解释

  但是,谁有这么多时间和耐性做完所有这种分析和测试——当然JEDEC除外!本文将告诉您在测试您设计的散热完整性时如何安全地绕过这些步骤。

  通过访问散热数据,您可以将散热数据用于您正使用的具体封装。这里,您会发现额定参量曲线、不同流动空气每分钟直线英尺(LFM)的Tja,以及对您的设计很重要的其他建模数据。

  所有这些信息都会帮助您不超出器件的最大结点温度。尤为重要的是坚持厂商和JEDEC建议的封装布局原则,例如:那些使用QFN封装的器件。下列各种设计建议可帮助您实施最佳的散热设计。

  既然您阅读了全部建模热概述,并且验证了您的电路板布局和散热设计,那么就让我们在不使用散热建模软件或者热电偶测量实际温度的情况下检查您散热设计的实际好坏程度吧。产品说明书中的Theta JA额定值一般基于诸如JEDEC #JESD51的行业标准,其使用的是一种标准化的布局和测试电路板。因此,您的散热设计可能会不同,会有不同于标准的Theta JA,这是因为您具体的PC电路板设计需求。

  如果您想知道您的设计离最佳散热设计还有多远,那么请对您的 PC 电路板设计执行下列系统内测试。(尝试将电压设置到其最大可能值,以测试极端条件。)

  要想获得最佳结果,请使用一台烤箱(非热感应系统),然后靠近电路板只测量Ta,因为烤箱有一些热点。如果可能,请在电路板底部使用一个热绝缘垫,以防止室温空气破坏测量。

  

  图 4 散热设计改善技术的 TLC5940 级联应用实例参考

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