SOT-223封装的热特性详解

对于功率IC，不同封装的热参数应符合不同的应用和用户要求，并根据规格确定不同类型封装的热限制。热参数，例如热阻 θ JA和 θ JC，用于确定集成电路的散热性能。低热阻代表更好的热性能。具有较低热阻的系统可以散发更多的热量。

本文阐述了采用 SOT-223 封装的集成电路的散热，包括热参数和内部结构。最后，我们将介绍 SOT-223 封装的 PCB 铜布局的热分析。

1. 集成电路的一般热学理论

热阻是物体产生温差的热特性，是热导率的倒数。在特定封装的热流路径中，存在许多热阻，主要与硅芯片、模塑料、引线框架的铜、芯片贴装等材料有关。在图 1 中，它是特定封装的等效热阻模型。为此，电阻系列定义为等式（1）。

图 1. 等效热阻系列

2. SOT-223 热阻测量

2-1 测量环境

根据 JEDEC 51-2 热测量标准，θ JA应在 T A = 25°C下通过自然对流（气流 = 0 ft/min）中的标准化环境条件进行测量。标准化的环境条件如图 2 所示（尺寸以毫米为单位）。

 

（a） 测试环境侧视图（b） 测试环境端视图

图 2. 标准化环境条件

2-2 热测试板外形

在 JEDEC 51-3 和 JEDEC 51-7 热测量标准中，被测器件安装在标准测试板上，测试板的详细规格如图 3 至图 6 所示。对于 SOT-223 封装，4mm x 4mm铜面积和 1/mm 宽的铜线旨在消散热流。

低有效导热率测试板布局（单层铜，参考 JEDEC 51-3）

图 3. 单层俯视图

图 4. 单层 PCB 剖面图

高效导热测试板布局（四层铜，参考 JEDEC 51-7）

图 5. 四层俯视图

图 6. 四层 PCB 剖面图

2-3 SOT-223 热电阻

基于 JEDEC 51-3 和 JEDEC 51-7 测量方法，可以在固定功耗和环境温度条件下估算SOT-223 封装的热阻 θ JA和 θ JC 。测量结果如下图所示：

3. SOT-223封装结构的热特性

3-1 SOT-223 封装结构材料特性

由式（2）可知，较低的电阻意味着在相同的功耗和环境温度下，结温会更低，封装材料的热导率将主导封装的热阻。因此，SOT-223 封装利用引线框架的高导热性来降低热阻。SOT-223封装内部结构如图7所示，该模型所用元件的物理尺寸参数和材料特性总结如表1。

 

图 7. SOT-223 顶部和剖面透明视图图

图 8 中，SOT-223 与其他封装之间的结构非常具体的差异。在 SOT-223 封装中，芯片热源直接连接到裸露的引线框架，主要的热流可以通过裸露的引线框架传导到 PCB 走线和环境。然而，其他封装仅使用金线连接管芯和引线框架。这使得 SOT-223 的热阻比其他封装更小。因此，我们可以利用这一特性通过在 SOT-223 封装上设计 PCB 铜布局来提高热性能。

图 8. SOT-223 封装透明视图图

3-2 SOT-223 封装的热性能增强

由于 SOT-223 封装的结构，可以通过在裸露的引线框架下增加铜区域来提高热阻。图 9 显示了铜面积和热阻 θ JA之间的关系。当 IC 安装到标准尺寸 （16mm 2 ） 时，热阻 θ JA为 135°C/W，在封装下将焊盘的铜面积增加到 100mm 2可将 θ JA降低到 107°C/W。更进一步，将焊盘的铜面积增加到 2500mm 2可以将 θ JA降低到 50°C/W。

图 9. SOT-223 热阻 θ JA。与 PCB 铜面积

如图 9 所示，我们还可以发现 SOT-223 在环境温度 T A = 25°C 操作下通过不同的铜面积设计提高了最大功耗。

图 10. 最大功耗 P D。与 PCB 铜面积

对于 SOT-223 封装，图 11 中的降额曲线使设计人员可以看到环境温度升高对最大功耗的影响。

图 11. SOT-223 封装的降额曲线

4、结论

根据上面对热阻和结温的讨论，发现热阻影响系统的耗散热。我们必须遵循最大功耗（功率限制）和最大结到环境热阻的要求。如果所选封装不能满足热阻限制要求，则需要改进 PCB 布局，使 IC 结温保持在 125°C 以下。因此，对于具有多种功耗的大功率IC系列产品，增加适当的覆铜面积是必不可少的。