一、什么是RθJA和RθJMA

RθJA（Junction-to-Ambient）：結到環(huán)境的熱阻。RθJMA（Junction-to-Moving Air）：結到流動空氣的熱阻。

結到環(huán)境的熱阻（RθJA）是最常報告的熱指標，也是最容易被誤用的指標。RθJA 是衡量特定測試板上安裝的集成電路（IC）封裝熱性能的一種指標。RθJA 的目的是提供一個可以用來比較不同封裝相對熱性能的指標。

RθJA的測量按照以下步驟進行：

將一個器件（通常是包含熱測試芯片的集成電路 [IC]封裝，該芯片既能耗散功率，又能測量芯片的最高溫度）安裝在測試板上。

對測試芯片的溫度感應元件進行校準。

將封裝和測試板系統放置在靜止空氣（RθJA）或流動空氣（RθJMA）環(huán)境中。

在測試芯片中耗散已知功率。

達到穩(wěn)態(tài)后，測量結溫。

計算測量到的環(huán)境溫度與測量到的結溫之間的差值，并將其除以耗散功率，得出 RθJA 的值，單位為 °C/W。

1.1、使用

不幸的是，系統設計人員常常使用 RθJA 來估算其器件在其系統中使用時的結溫。通常假設用于從RθJA計算結溫的方程是：

這是一種對 RθJA 熱參數的誤用，因為 RθJA 并非僅與封裝有關，它還是許多其他系統級特性（例如器件所安裝的印刷電路板 [PCB] 的設計和布局）的變量函數。實際上，測試板是一個焊接到器件引腳上的散熱器。改變測試板的設計或配置會改變散熱器的效率，從而改變測量到的 RθJA。事實上，在 JEDEC 定義的靜止空氣 RθJA 測量中，芯片產生的功率中有近 70% - 95% 是通過測試板散發(fā)的，而不是從封裝表面散發(fā)的。由于實際的系統板很少能近似于用于確定 RθJA 的測試板，因此使用公式 1 應用 RθJA 會導致極其錯誤的數值。

表 1-1 列出了在所有材料保持不變的情況下，可能會影響給定封裝外形的 RθJA 的因素。第一列列出因素，第二列則給出了關于該因素影響的大致估算規(guī)則。

表1-1. 影響給定封裝外形的RθJA的因素

鑒于 RθJA 并非僅是封裝本身的特性，而是封裝、PCB 以及其他環(huán)境因素共同作用的結果，它最適合用于比較不同公司之間的封裝熱性能。例如，器件一手冊的某封裝的 RθJA 為 40°C/W，器件二相同封裝的 RθJA 為 45°C/W，那么在實際應用中，器件一可能會比競爭對手的器件運行溫度低約 10%。

1.2、測試板的影響

JEDEC 制定了一套用于測量和報告集成電路（IC）封裝熱性能的標準。這些標準歸屬于 EIA/JESD51 系列。EIAJ/Semi 也有一套熱性能標準，與 JEDEC 版本存在顯著差異。RθJA 并非一個常數，因此在嘗試進行比較之前，確定用于計算或測量 RθJA 的標準至關重要。

在 JEDEC 規(guī)范中，允許使用兩種類型的測試板。1s（單信號層）配置適用于中等密度布線的多層系統級印刷電路板（PCB）應用，能夠提供典型的使用值。2s2p（雙信號層、雙埋地電源平面）配置則假設為低密度布線、高走線密度的板設計，并且具有埋藏的電源和地平面，能夠提供最佳性能估計。圖 1-1 展示了這兩種測試板在 17 種不同封裝類型下的 RθJA 建模差異。需要注意的是，這些模型中所有材料和封裝幾何形狀均保持不變。

圖 1-1. 不同封裝類型的 1s 與 2s2p PCB 對比

如圖所示，僅由于1s與2s2p測試板結構的差異，就可能導致RθJA出現高達50%的變化。

1.3、芯片尺寸的影響

封裝內的芯片或芯片墊如果足夠大，可以起到與散熱器相同的功能。散熱器的作用有兩個方面。首先，它將芯片的熱點處的熱量擴散到封裝表面更廣泛的區(qū)域，從而增加對流散熱。其次，它增強了從芯片墊到引腳或封裝焊球的熱傳遞，這些引腳或焊球隨后將熱量傳導至印刷電路板（PCB）。圖 1-2 展示了芯片尺寸對一種基于卷帶的面陣芯片尺寸封裝（CSP）的 RθJA 的影響。如圖所示，這種封裝的 RθJA 隨芯片尺寸的變化幾乎達到了 8 倍。如果計劃進行芯片縮小化，重新測量或重新計算封裝的 RθJA 是非常重要的。

圖1-2. 芯片尺寸對CSP封裝的影響

1.4、封裝內部幾何結構配置

這一主題涉及封裝內的布局，無論是傳統的引線框架封裝、小芯片墊（S-pad）封裝、芯片上引線（LOC）封裝，還是球柵陣列（BGA）封裝。封裝內部更普通的幾何結構配置也可能對封裝的熱性能產生重大影響。這些配置包括封裝內引線尖端與芯片墊之間的距離（如圖 1-3 所示），甚至是芯片墊與引腳之間的下沉（downset）。在薄型封裝中，后者是一個特別重要的熱性能指標。對于 BGA 封裝，中介層走線配置的設計對于將熱量從芯片傳導至封裝焊球（進而傳導至 PCB）至關重要。

圖1-3. RθJA與引腳到芯片墊距離的關系

1.5、海拔

隨著海拔的升高，環(huán)境空氣壓力會發(fā)生變化，空氣的冷卻效率也會隨之改變。IBM 表明，與在海平面上運行的相同設備相比，設備在海拔 8000 英尺處的運行溫度預計將升高 20%。其他研究者也發(fā)現，風扇性能和機箱內部氣流在不同海拔下會有很大變化。這些影響因素應當被考慮在內，尤其是在系統設計從熱管理角度而言處于臨界狀態(tài)時。許多大型系統公司都配備了壓力試驗箱，用于在不同有效海拔下測試其系統。通常，這些公司會在其設計中安裝儀器，以測量在不同大氣壓力下運行時內部組件的溫度。表 1-2 列出了從 IBM 的研究中得出的用于降低在海平面上確定的 RθJA 值的乘數因子。

表1-2. 乘數因子

1.6、環(huán)境溫度

環(huán)境溫度對對流和輻射傳熱有很大的影響。由于熱輻射與溫度的四次方（T?）成正比，隨著溫度的升高，輻射傳熱會顯著增強。相反，隨著溫度升高，對流傳熱會受到不利影響，因為高溫下空氣密度較低。一般來說，輻射的影響遠大于自然對流的影響。某芯片公司熱實驗室的實驗表明，在 0°C 至 100°C 的環(huán)境溫度范圍內測量時，RθJA 會改善約 10% - 20%；也就是說，100°C 環(huán)境下的 RθJA 比 0°C 環(huán)境下的 RθJA 約低 20%。

1.7、功率耗散

器件表面溫度推動了封裝的對流和輻射能量損失。封裝表面溫度越高，向環(huán)境的對流和輻射散熱就越高效。因此，隨著封裝功率耗散的增加，RθJA 會降低。對于功率耗散非常低的情況，由于表面溫度升高很少，RθJA 有時會比在額定封裝功率水平下高出 2 - 3 倍。

1.8、有效 RθJA

Theta-ja（RθJA）是一個系統級參數，它強烈依賴于前面各節(jié)中描述的系統參數。因此，有時定義一個 RθJA（有效）是很有用的，如果可以從系統中的熱建?；驕y量估算出 RθJA（有效），那么在假設系統中周圍組件的功率不變的情況下，就可以使用公式 1 來計算結溫。此時，公式 1 變?yōu)椋?/p>

在報告有效 RθJA（RθJA(effective)）值時，應始終定義導致該值的系統條件。

2、RθJC：結到外殼

結到外殼的熱阻（RθJC）這一指標最初是為了能夠在安裝散熱器時估算封裝的熱性能而設計的。EIA/JESD51-1 指出，RθJC 是“半導體器件工作部分到封裝外殼（外殼）表面（最接近芯片安裝區(qū)域的表面）的熱阻，當該表面被適當散熱以最小化該表面的溫度變化時”。盡管目前沒有定義 RθJC 的 JEDEC 規(guī)范，但行業(yè)內普遍采用一種測量 RθJC 的方法。

2.1、銅（Cu）冷板 RθJC 測量法

這種方法將測試器件的幾乎所有功率都通過封裝的一個特定表面?zhèn)鲗С鋈?。根據散熱器將如何應用于器件，這可能是封裝的頂部或底部。通常情況下，是封裝的頂部表面。RθJC 適用于確定芯片與將要安裝散熱器的表面之間的熱阻。

總結來說，該程序如下：

通常包含熱測試芯片的集成電路（IC）封裝被安裝在一塊測試印刷電路板（PCB）上。這通常是一塊JEDEC定義的低介電常數（low-k）1s0p（單信號層，無電源平面）PCB，其銅含量較低，以盡量減少通過PCB的熱量損失。

當需要測量封裝頂部時，封裝被壓裝到銅冷板（一個帶有循環(huán)恒溫流體的銅塊）上，引腳朝上，封裝外殼與冷板接觸；當封裝的主要散熱路徑是通過焊接板進入PCB時，銅冷板則通過PCB與封裝底部接觸。

硅膠熱膏或其他熱界面材料提供冷板與封裝之間的熱耦合。

在測試樣品周圍提供絕緣材料，以盡量減少寄生熱損失。

對器件施加功率。

測量測試芯片的結溫。

通過壓在該表面的熱電偶或其他溫度傳感器，測量與冷板接觸的封裝表面的溫度。

通過將測量到的溫度差除以耗散功率，計算出RθJC。

圖2-1. 銅冷板測量過程

2.2、RθJC 的應用

過去對 RθJC 的過時且不準確的理解如公式 3 所示。

在這里，封裝的熱性能 RθJA 被報告為兩個熱阻之和：RθJC 和 RθCA。RθCA 表示外殼到環(huán)境的熱阻，該公式定義了 RθCA。這個公式可能適用于金屬外殼封裝，這類封裝的溫度相對穩(wěn)定，且與印刷電路板（PCB）沒有熱耦合。然而，這種條件并不適用于當今與PCB緊密耦合的塑料或陶瓷封裝?，F代封裝中常見的大熱梯度使得公式 3 的意義受到質疑。

一種傳統但無效的 RθJC 使用方式是計算系統中運行芯片的結溫。使用熱電偶、紅外相機或 Fluoroptic? 探頭測量系統中運行器件的外殼溫度。然后錯誤地使用公式 4 來計算結溫：公式 4：

這里的謬誤在于，在典型的塑料封裝中，只有很小一部分熱量是從封裝的頂表面通過對流和輻射散發(fā)出去的。許多模型表明，芯片產生的熱量中有 60% - 95% 是通過對流和輻射從封裝所連接的印刷電路板（PCB）散發(fā)出去的。如果假設所有功率都是通過頂表面耗散的，那么通過公式 4 計算出的結溫將高于實際值。在有熱裕度的設計中，這只是一個麻煩，但在沒有熱裕度的設計中，可能會錯誤地施加限制。這種 RθJC 的局限性可以通過新的熱指標 ΨJT 來克服，下面將對其進行描述。

公式 5 展示了在某些情況下，當一個高效率的散熱器被應用于一個 RθJC 相比 RθJA 較小的器件的頂表面時，RθJC 的正確應用方式：

在這里，Rθ(SA) 表示散熱器到環(huán)境的散熱性能，而 Rθ(CS) 是熱界面材料的外殼到散熱器的熱阻（見公式 7）。環(huán)境溫度是指用于表征 Rθ(SA) 的位置處的溫度，通常距離散熱器有一定距離。這個公式對于 RθJC 相比 RθJA 較小的封裝來說是最準確的，這意味著當應用足夠高效的散熱器時，大部分熱量可以通過封裝的頂表面散發(fā)出去。

公式 6 展示了一個近似公式，如果已知系統配置下的 RθJA，那么無論 RθJA、RθJC 或 Rθ(SA) 的組合如何，該公式都比公式 5 更為準確。

2.3、Rθ(CS)

如果無法直接測量 Rθ(CS) 的值，可以使用公式 7 來估算 Rθ(CS)。需要注意的是，這只是一個估算值，因為它忽略了任何兩個表面之間可能形成的熱界面阻抗。

其中：

T = 封裝與散熱器之間界面層的厚度

k = 熱界面材料的本體熱導率

A = 熱界面材料的應用面積

2.4、RθJC(top) 和 RθJC(bot)

一些封裝具有散熱塊或暴露的焊盤等機制，用于從封裝的頂部、底部或兩個表面散熱。當僅使用一個表面散熱時，根據 EIA/JESD51-1 規(guī)范，這個表面將用于基于 RθJC 的測量。有時，即使封裝的暴露焊盤已經焊接到了印刷電路板（PCB），設計人員也可能會在封裝的頂部添加散熱器。在這種情況下，為了避免混淆所引用的是哪個表面，定義 RθJC(top) 和 RθJC(bot) 是合適的。封裝的頂部表面是指遠離 PCB 的表面，而底部表面是指面向 PCB 的表面。

當需要測量 RθJC(bot) 時，會專門制作一塊帶有切口的 PCB，以便封裝的底部表面能夠與銅冷板接觸。當封裝的底部表面與銅冷板接觸時，封裝底部表面的溫度就成為用于計算外殼溫度與結溫之間溫差的外殼溫度。

需要指出的是，某些芯片器件手冊有時會使用 Rθ(JP) 這一術語，即結到焊盤的熱阻，來指代封裝的結與暴露焊盤之間的熱阻。無論焊盤是暴露在封裝的頂部還是底部，都會使用這一術語。