2.1.1　热阻

1. 元器件封装的热阻模型

元器件封装的热阻模型[19]如图2-1所示。热阻指热流从一个结构（如IC结点）转移到另一个结构（如周围环境）时遇到的阻力。热阻表示为每个单位热流量的温差（单位：℃/W），一般用符号θ或者R来表示。元器件数据表中的热阻额定值是一项对不同封装元器件进行热特性比较的指标。在一般情况下，热阻额定值均以JEDEC工业测试标准为依据，测试条件见元器件的数据表。可以从JEDEC网站免费下载JEDEC标准。

需要注意的是，图2-1中的串行热阻模拟的是一个元器件的总的热阻路径。因此，在计算时，总热阻θJA为两个热阻之和，即θJA=θJC+θCA，θJA为结到周围环境的热阻，θJC为结到外壳的热阻，θCA为外壳到周围环境的热阻。注：在一些资料中，θJA、θJC和θCA也采用RθJA、RθJC和RθCA等形式表示。例如，一个运算放大器IC，如果结到周围环境的热阻θJA为120℃/W，则在功耗为1W时，测得IC结点与周围环境之间的温差为120℃。

2. 结到周围环境的热阻θJA

θJA表示在热流从硅片转移到周围环境时遇到的阻力，单位是℃/W。它也反映了热量通过各种路径在结点至周围环境之间流动的效率。在多数情况下，主要热流路径为从IC引脚到电路板。θJA因而可用于无外部散热器的IC封装。实践中，θJA会受到周围环境和安装技术的影响。通风不良和插槽的使用可能显著增大热阻。利用风扇形成的气流，以较宽的走线把元器件焊接到电路板上，可以增进散热效果。这种方法有助于降低结点到周围环境的热阻，因而可以降低结点温度（简称结温）。

注意，θJA多用于确定封装的额定值，不得用于预测系统的热特性。此项指标用于比较在相同环境下测试的不同封装的热特性。较低的θJA数值表示元器件拥有较好的散热性能，过热的可能性较小。较大的封装（表面积较大）可以更加有效地散热，元器件的热阻通常较低。

已知环境温度和功耗时，θJA也经常用来计算芯片结点温度。

热阻θJA与周围环境温度TA、芯片结温TJ和芯片功耗PD的关系如下。

TJ=TA+PDθJA　（2-2）

式中，TJ为芯片结温（℃）；TA为周围环境温度（℃）；PD为芯片功耗（W）；θJA为结到周围环境的热阻（℃/W），θJA=θJC+θCH+θHA；θJC为结到外壳的热阻（℃/W）；θCH为外壳到散热器的热阻（℃/W）；θHA为散热器到周围环境的热阻（℃/W）。

由式（2-2）可知，要维持一个低的结温TJ，必须使热阻θJA或功耗PD（或者二者同时）为较低值。

注意，θJA只有在系统环境与JEDEC定义的测试环境几乎相同时才有用。θJA在很大程度上取决于电路板设计和测试环境条件。在计算温度时应慎重使用θJA。受实际环境和测试环境差异的影响，θJA通常会给出不准确的热计算结果。

3. 结到外壳的热阻θJC

θJC表示在热流从芯片结点转移到外壳（封装顶部或底部）时遇到的阻力。θJC取决于芯片厚度、表面积和热流路径中元器件材料的热导率。在JEDEC测试标准中，根据θJC定义，假定所有热量均流过封装顶部，流到散热器。依据该定义，无热量会流过封装侧面或底部。因此，θJC仅在封装直接装在散热器上时有用。θJC越低，热量越容易注入散热器。θJC被定义为从芯片的pn结到外壳的温差与芯片所耗散的功率之比。

式中，TJ为芯片结温；TC为外壳（封装表面）温度；PD为芯片功耗。

θJC与管壳到周围环境的热阻无关，θJA与QJC有关，因此当电路的封装被安排成可以向部件中其他元器件散热时，θJC是较好的热阻指示参数。

在元器件数据表中，通常会给出各种不同封装的θJC。在评估哪一种封装最不会过热以及在外壳温度和功耗已知的情况下确定芯片结温时，QJC一个非常有用的参数。

在元器件中，温度参考点通常选择芯片内部最热的那一点，即在给定封装中芯片内部的最热点。其他相关参考点为TC或TA。由此可以得到上面提及的各个热阻θJC和θCA。

结到外壳热阻θJC通常在元器件数据表中给出。不同元器件的封装不同，θJC（RθJC）也不同。相同的封装，由于元器件耗散功率不同，结到外壳热阻θJC（RθJC）也会不同。

需要明确的是，这些热阻在很大程度上取决于封装，因为不同的材料拥有不同水平的导热性。一般而言，导体的热阻类似于电阻，铜最好（铜的热阻最小），其次是铝、钢等。

4. 元器件的热阻示例

对于一个特定的元器件，在元器件生产商提供的元器件数据表中，可以查询到该元器件封装的热阻参数[19]。

ADI公司一个有关θJA和θJC的示例见表2-1。热阻θJA是针对焊接在零气流4层JEDEC标准板上的元器件而规定的。对于LFCSP封装，裸露焊盘直接焊接到电路板上。

应注意的是，元器件数据表提供的热特性数据与测试电路板有关。在元器件数据表中，θJA测试数据是在SEMI或JEDEC标准板上获得的。

SEMI板是垂直安装的，符合SEMI标准G42-88，采用SEMI标准G38-87的测试方法。

JEDEC板是水平安装的。JEDEC标准板采用厚度为1.57mm的FR-4，在PCB裸露的表面有2oz/ft2铜导线，是一种影响较低的热导率（热阻）测试板。采用JEDEC的4层电路板的目的是为了获得接近最好的情况下的散热性能。JEDEC的4层电路板采用厚度为1.60mm的FR-4，包括4层铜。两个内部层为实心铜层（1oz/ft2或35μm厚）。两个表面层为2oz/ft2铜层。

例如，Altera Cyclone Ⅱ系列FPGA器件使用不同测试电路板的封装与热阻[20]见表2-2和表2-3。

表2-2提供了符合JEDEC热阻计算规范的板上Altera Cyclone Ⅱ系列器件的θJA（结到环境的热阻）值和θJC（结到壳的热阻）值。JEDEC电路板规范要求需要两个信号和两个电源/接地平面。JEDEC规范可从www.jedec.org获得。表2-3提供了典型电路板的Altera Cyclone Ⅱ器件的热阻值。表2-2和表2-3的表头解释如下。

• θJA（℃/W）无气流：没有使用散热器时，无气流（Still Air）时，结到环境的热阻。

• θJA（℃/W）100ft/min：当没有使用散热器，具有100ft/min（英尺/分钟）气流时，结到环境的热阻。

• θJA（℃/W）200ft/min：当没有使用散热器，具有200ft/min（英尺/分钟）气流时，结到环境的热阻。

• θJA（℃/W）400ft/min：当没有使用散热器，具有400ft/min（英尺/分钟）气流时，结到环境的热阻。

• θJC（℃/W）：结到壳的热阻。

• θJB（℃/W）：使用特定电路板时，结到板的热阻。