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熱阻

通常，芯片的結溫(Junction Temperature)（Tj）每上升10℃，器件的壽命就會大約減為一半，故障率也會大約增大２倍。Si半導體在Tj超過了175℃時就有可能損壞。由此，使用時就必須極力降低Tj，以容許溫度（通常80～100℃）為目標進行熱量設計。但是，對于功率器件那樣的高輸出元件，要把Tj抑制在容許溫度以下其實是比較困難的，所以通常以規格書里揭載的最高容許溫度的80%為基準來設計Tj。另外、即使器件的封裝相同，根據器件的芯片尺寸、引線框架的定位尺寸、實裝電路板的規格等不同、熱阻值也會發生變化，需要特別注意。

定義

半導體封裝的熱阻是指器件在消耗了１[Ｗ]功率時，用芯片和封裝、周圍環境之間的溫度差按以下公式進行計算。

Thermal resistances
Thermal resistances圖1 封裝的熱阻
表1 用語說明
項 目 解 說
θja 結溫 (Tj) 和周圍溫度 (Ta) 之間的熱阻
ψjt 結溫 (Tj) 和周圍溫度 (Tc1) 之間的熱阻
θjc 結溫 (Tj) 和封裝外殼表面溫度 (Tc2) 之間的熱阻
θca 封裝外殼溫度 (Tc) 和周圍溫度 (Ta) 之間的熱阻
Tj 結溫
Ta 周圍溫度
Tc1 封裝外殼表面（型號面）溫度
Tc2 封裝外殼背面溫度
Pd 最大容許功率
 
結溫 (Tj) 的驗證方法 (ψjt已知)

用以下的方法可以估算結溫 (Tj)

  1. 先求IC的功率(P)。
  2. 在實際組裝時的環境條件下，用放射溫度計或熱電偶來測量封裝表面溫度 Tc1。
  3. 把測得的 Tc1 代入下式后，就可以算出了。
Tj = ψjt × P + Tc1

如之前講述的、推薦以 Tj 的最高容許溫度的80%為基準來進行熱量設計。

注)本公司測定的 θja , ψｊt 是實裝到以JEDEC規格為基準的電路板上時的數值，但是根據引腳類型的尺寸、電路板的材質和尺寸、電路板上的布線比率的不同，多少會有些變化，要特別注意。

熱阻的測量方法

本公司熱阻的測量方法是以[JEDEC規格]為基準，在以下表示。

[ 測量電路板 ]

下圖是測量電路板的概略圖。關于詳細信息請查閱EIA/JEDEC規格EIA/JESD51-3/-5/-7。

測定基板略図圖2 測量電路板概略圖
[ 實裝電路板 ]

EIA/JESD51-3/-5/-7基準、FR-4

[ 電路板尺寸 ]
  • 2層114.3×76.2mm、厚度1.57mm
  • 4層(內有銅箔)114.3×76.2mm、厚度1.6mm
  • 注)4層電路板的里面使用有銅箔1,2(尺寸：74.2×74.2mm、厚度：35um)。
[ TEG芯片 ]

在本公司為了測量熱阻，特別準備了叫Thermal Test-Element-Group（以下稱熱量TEG）的芯片。它是由電阻元件和二極管構成，電阻元件是作為發熱元，二極管則是作為溫度傳感器使用。以下顯示的是抽象圖和等價電路圖的一例。

熱阻會根據芯片尺寸發生變動，所以在本公司有3種芯片尺寸。

測量電路板概略圖圖3 測量電路板概略圖
[ K系數 ]

為了求熱阻，就必須要知道結溫，但是又不能直接測量結溫?？墒牵媒Y溫和二極管順方向電壓( VF )的溫度依賴關系，可以得知結溫。 VF 是溫度的一次性函數，它的傾斜率稱作K系數。

K-factor
[ 測量環境 ]
  • 測量時，為了排除外部風的影響，在亞克力箱中以無風的狀態下進行的（圖4）。另外，環境溫度是用距離PKG中心以下25.4mm的熱電偶來測量的。
  • JEDEC chamber圖4 測量環境概略圖
[ 測量電路 ]測量電路圖圖5 測量電路圖
[ 測量時間 ]
  1. 在器件加熱前，先測量讓內部二極管以 IM 電流(1mA)流動時的 VF0 值。
  2. 然后給內部電阻以加熱電壓 VH 來加熱一段時間，等穩定后再測量 IH 值。
  3. 這時候再測量內部二極管以 IM 電流流動時的 VFSS 值。
測量電路圖圖6 測量電路圖

注) VH 是在最大保存溫度（Tstg-max）左右和前后各3點來設定的值。

[ 熱阻計算 ]

根據表2可以算出 θja 和 ψjt 。

表2 熱阻的計算公式熱阻的計算公式

[ 最大容許功率Pd ]

IC在常溫( 25°C以下)時的最大容許損失是用各IC的絕對最大定額消耗功率(Pd)來規定的。環境溫度超過25°C時，就需變為對應各IC封裝的熱下降曲線(Derating Curve)。以下顯示的是一般的熱下降曲線。

最大容許功率圖7 最大容許功率
 
標準熱阻值一覽

表3表示的是各封裝的標準熱阻值（無風狀態）一覽。

注意事項：表中的數值是標準值，會根據芯片尺寸、引線框架定位尺寸、電路板規格(材質、布線形式等)等的不同而改變。

表3 熱阻值一覽
PKG 2 層電路板 4 層電路板
Tj:125°C Tj:150°C Tj:125°C Tj:150°C
θja ψjt Pd@Ta=25°C θja ψjt Pd@Ta=25°C
(°C/W) (°C/W) mW (°C/W) (°C/W) mW
DMP8 235 47 425 530 175 40 570 710
DMP14 195 47 510 640 150 40 665 830
DMP16 195 47 510 640 150 40 665 830
DMP20 150 37 665 830 120 33 830 1040
SOP8 JEDEC(EMP8) 180 34 555 690 125 29 800 1000
SOP16 JEDEC(EMP16-E2) 110 21 905 1135 70 18 1425 1785
SOP8 165 26 605 755 110 23 905 1135
SOP14 125 21 800 1000 80 17 1250 1560
SOP22 120 18 830 1040 85 14 1175 1470
SOP28 155 37 645 805 125 33 800 1000
SOP40-K1 135 37 740 925 105 33 950 1190
SSOP8 270 42 370 460 210 36 475 595
SSOP8-A3 215 36 465 580 155 15 645 805
SSOP10 270 42 370 460 210 36 475 595
SSOP14 225 38 440 555 180 33 555 690
SSOP16 210 35 475 595 160 26 625 780
SSOP20 185 34 540 675 140 26 710 890
SSOP20-B2 200 34 500 625 150 26 665 830
SSOP20-C3 130 13 765 960 85 9 1175 1470
SSOP32 110 20 905 1135 70 14 1425 1785
SSOP44 110 20 905 1135 70 14 1425 1785
TSSOP54-N1 105 10 950 1190 75 9 1330 1665
HSOP82) 160 28 625 780 50 12 2000 2500
HTSSOP24-P12) 115 14 865 1085 45 7 2220 2775
MSOP8(TVSP8) 215 27 465 580 160 23 625 780
MSOP10(TVSP10) 215 27 465 580 160 23 625 780
MSOP8(VSP8) 210 33 475 595 155 25 645 805
MSOP10(VSP10) 210 33 475 595 155 25 645 805
SC-88A 355 89 280 350 260 73 380 480
SC-82AB 365 89 270 340 255 72 390 490
SOT-23-5 260 70 380 480 195 60 510 640
SOT-23-6 245 70 405 510 175 60 570 710
SOT-89-31)2) 200 67 500 625 130 65 765 960
QFP32-J2 115 17 865 1085 90 15 1110 1385
QFP44-A1 95 17 1050 1315 75 15 1330 1665
QFP48-P1 65 17 1535 1920 50 15 2000 2500
LQFP48-R3 75 9 1330 1665 45 5 2220 2775
LQFP52-H2 85 11 1175 1470 65 11 1535 1920
QFP56-A1 105 17 950 1190 80 15 1250 1560
QFP64-H1 70 17 1425 1785 50 15 2000 2500
LQFP64-H2 65 6 1535 1920 50 5 2000 2500
QFP100-U1 55 5 1815 2270 45 5 2220 2775
TO-252-31)2) 105 17 950 1190 40 12 2500 3125
PLCC28 55 10 1815 2270 35 7 2855 3570
EPFFP6-A22) 370 59 270 335 220 53 450 565
EPFFP10-C42) 295 64 335 420 160 55 625 780
PCSP12-C3 240 40 415 520 140 33 710 890
PCSP20-CC 225 40 440 555 140 33 710 890
PCSP20-E3 225 40 440 555 130 33 765 960
PCSP24-ED 205 40 485 605 115 26 865 1085
PCSP32-F7 225 24 440 555 115 17 865 1085
PCSP32-G32) 205 24 485 605 115 17 865 1085
PCSP32-GD2) 205 24 485 605 115 17 865 1085
EPCSP32-L22) 210 29 475 595 95 16 1050 1315
DFN6-J1 (SON6-J1) 345 88 285 360 260 69 380 480
DFN4-F1 (ESON4-F1)2) 300 52 330 415 110 27 905 1135
DFN6-H1 (ESON6-H1)2) 280 42 355 445 110 26 905 1135
DFN8-U1 (ESON8-U1)2) 280 43 355 440 110 26 905 1135
DFN8-V1 (ESON8-V1)2) 215 16 465 580 70 8 1425 1785
DFN8-W2 (ESON8-W2)2) 195 21 510 640 60 8 1665 2080
QFN24-T1/T2 150 22 665 830 75 15 1330 1665
EQFN12-E22) 285 52 350 435 105 27 950 1190
EQFN12-E42) 285 52 350 435 105 27 950 1190
EQFN14-D72) 295 53 335 420 95 26 1050 1315
EQFN16-G22) 255 43 390 490 100 26 1000 1250
EQFN12-JE2) 215 22 465 580 80 10 1250 1560
EQFN16-JE2) 180 21 555 690 70 11 1425 1785
EQFN18-E72) 220 33 450 565 90 22 1110 1385
EQFN26-HH2) 160 15 625 780 60 7 1665 2080
EQFN24-LK2) 145 13 685 860 65 8 1535 1920
注釋
1) 2層電路板上的熱阻值 (θja,ψjt) 是基于JEDEC規格JESD51-5，在表面上布有100mm2 銅箔時的數值。
2) 4層電路板上的熱阻值 (θja,ψjt) 是基于JEDEC規格JESD51-5，在電路板上布有導熱孔時的數值。
 
銅箔面積和熱阻值的關系

以下圖8顯示的是2層電路板各封裝的熱阻值 θja 和銅箔面積的關系。另外，在背面有散熱器的TO-252和SOT-89也展示了 ψjt 值。電路板表層的布局狀況請參照表4、表5。

注意事項：這里顯示的是產品的標準熱阻值數據，由于芯片尺寸、引線框架定位尺寸、電路板規格(材質、布線形式等)等的不同而發生變化。此外，圖8的數據不適用有導熱孔的情況。

銅箔面積圖8　銅箔面積和熱阻值的關系(2層電路板)——所以盡量將電源芯片發熱的SW等金屬面鋪大地熱抵抗値の関係表4 表層電路板的布局
teble TO-252 SOT-89 SOT-23-5
SOT-23-6
PAT.1 PAT PAT PAT
PAT.2 PAT PAT PAT
PAT.3 PAT PAT PAT
PAT.4 PAT PAT PAT
PAT.5 PAT PAT -
表5 表層電路板的布局
PAT SC-88A
SC-82AB
PAT.1 PAT
PAT.2 PAT
PAT.3 PAT
PAT.4 PAT
表6 銅箔面積
teble TO-252 SOT-89 SOT-23-5
SOT-23-6		 SC-88A
SC-82AB
PAT.1 100mm2
PAT.2 225mm2
PAT.3 400mm2
PAT.4 600mm2 1600mm2
PAT.5 1225mm2 -

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