Motorola CMOS Logic Manual page 558

THERMAL MANAGEMENT
Circuit performance and long–term circuit reliability are
affected by die temperature. Normally, both are improved by
keeping the IC junction temperatures low.
Electrical power dissipated in any integrated circuit is a
source of heat. This heat source increases the temperature
of the die relative to some reference point, normally the
ambient temperature of 25 _ C in still air. The temperature
increase, then, depends on the amount of power dissipated
in the circuit and on the net thermal resistance between the
heat source and the reference point.
The temperature at the junction is a function of the pack-
aging and mounting system's ability to remove heat gen-
erated in the circuit — from the junction region to the ambient
environment. The basic formula for converting power
dissipation to estimated junction temperature is:
T J = T A + P D (θ JC + θ CA )
or
T J = T A + P D (θ JA )
Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î
Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î
Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î
No. No. Body Body
Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î
Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î
Leads Style
Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î
14 DIL
16 DIL
Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î
NOTES:
1. All plastic packages use copper lead frames.
2. Body style DIL is "Dual–In–Line."
3. Standard Mounting Method: Dual–In–Line Socket or P/C board with no contact between bottom of package and socket or P/C board.
For applications where the case is held at essentially a
fixed temperature by mounting on a large or temperature–
controlled heat sink, the estimated junction temperature is
calculated by:
T J = T C + P D (θ JC )
where T C = maximum case temperature and the other pa-
rameters are as previously defined.
The maximum and average θ JC resistance values for stan-
dard IC packages are given in Figure 5.
AIR FLOW
The majority of users employ some form of air–flow cool-
ing. As air passes over each device on a printed circuit
board, it absorbs heat from each package. This heat gradient
from the first package to the last package is a function of the
air flow rate and individual package dissipations. Figure 6
provides gradient data at power levels of 200 mW, 250 mW,
300 mW, and 400 mW with an air flow rate of 500 Ifpm.
MOTOROLA CMOS LOGIC DATA
NOTE: This data sheet has a new look — the technical content has not changed.
Thermal Resistance in Still Air
Î Î Î Î Î
Body Body Body Body
Î Î Î Î Î
Î Î Î Î Î
Material W x L
Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î
Epoxy 1/4 x 3/4
Epoxy 1/4 x 3/4
Î Î Î Î Î
Figure 5. Thermal Resistance Values for Standard I/C Packages
where
T J = maximum junction temperature
T A = maximum ambient temperature
P D = calculated maximum power dissipation
including effects of external loads (see
Power Dissipation in section III).
θ JC = average thermal resistance, junction to case
θ CA = average thermal resistance, case to ambient
θ JA = average thermal resistance, junction to ambient
This Motorola recommended formula has been approved
by RADC or DESC for calculating a "practical" maximum
operating junction temperature for MIL–M–38510 (JAN)
devices.
Only two terms on the right side of equation (1) can be var-
ied by the user — the ambient temperature, and the device
case–to–ambient thermal resistance, θ CA . (To some extent
the device power dissipation can also be controlled, but
under recommended use the V CC supply and loading dictate
a fixed power dissipation.) Both system air flow and the pack-
(1)
age mounting technique affect the θ CA thermal resistance
term. θ JC is essentially independent of air flow and external
mounting method, but is sensitive to package material, die
(2) bonding method, and die area.
Package Description
Î Î Î Î Î Î Î Î Î
Die Die Die Area Die Area
Î Î Î Î Î Î Î Î Î
Î Î Î Î Î Î Î Î Î
Bonds (Sq. Mils)
Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î
Epoxy 4096
Epoxy 4096
Î Î Î Î Î Î Î Î Î
These figures show the proportionate increase in the junction
temperature of each dual in–line package as the air passes
over each device. For higher rates of air flow the change in
junction temperature from package to package down the air-
stream will be lower due to greater cooling.
(3)
Î Î Î Î Î Î Î
Power Dissipation
Î Î Î Î Î Î Î
(mW)
Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î
200
Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î
250
Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î
300
Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î
400
Î Î Î Î Î Î Î
Devices mounted on 0.062 PC board with Z axis spacing of 0.5 .
Air flow is 500 Ifpm along the Z axis.
Figure 6. Thermal Gradient of Junction Temperature
(16–Pin Dual–in–Line Package)
Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î θ JC ( _ C/Watt)
Flag Area Flag Area
Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î
Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î
(Sq. Mils)
Avg.
Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î
6,400 38
12,100 34
Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î
Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î
Junction Temperature Gradient
Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î ( _ C/Package)
Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î
0.4
Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î
0.5
Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î
0.63
Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î
0.88
Î Î Î Î Î Î Î Î Î Î
Î Î Î Î
Max.
Î Î Î Î Î Î Î Î
61
54
Î Î Î Î
CHAPTER 7
7–4