微電子封裝的熱特性研究

嚴(yán)向峰，汪劍俠

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微電子封裝的熱特性研究

嚴(yán)向峰1，汪劍俠2

（1. 湘潭電機股份有限公司，湖南411101；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064）

本文介紹了微電子封裝的熱特性參數(shù)，分析了封裝對微電子熱特性的影響，提出了優(yōu)化封裝熱性能參數(shù)的方法。

微電子熱特性熱阻封裝

0 引言

集成電路是一個微型化電子系統(tǒng)，需要電能驅(qū)動，需要和其他電子設(shè)備進行信號發(fā)送和接收。集成電路易損而且昂貴，必須得到很好的保護，以抵御外界可能的惡劣環(huán)境。集成電路還產(chǎn)生一定的熱量，這些熱量必須以合理途徑擴散出去，以免因過熱發(fā)生電路故障和損毀。以上都可以通過對集成電路進行合適的封裝來完成，盡管已經(jīng)發(fā)展了多種多樣的封裝技術(shù)，但所有封裝的目標(biāo)都一樣，即向器件提供I/O接口，保護器件，進行散熱。

1 微電子封裝的熱特性

集成電路種類繁多，既有低功耗的，也有高功耗的，既有只需要少數(shù)幾個接口的，也有需要上千個接口的，多種多樣的封裝技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，并服務(wù)于各種集成電路。

所有集成電路都有一個電能集中活動并產(chǎn)生絕大部分熱量的小區(qū)域。這是芯片中最熱的部分，叫做結(jié)點。結(jié)點最高運行溫度受性能要求、可靠性、芯片和封裝材料性質(zhì)等限制。電子系統(tǒng)熱設(shè)計的主要目標(biāo)是設(shè)計合理的冷卻方法，以保證器件結(jié)點溫度低于最高允許溫度。微電子封裝提供了從芯片到外部表面的傳熱路徑，在外部表面應(yīng)用各種冷卻技術(shù)。所以，微電子封裝的一項重要指標(biāo)是用來描述封裝中芯片由里至外的傳熱性能。有各種數(shù)學(xué)表達(dá)式用來描述封裝的熱性能。這些數(shù)學(xué)表達(dá)式通常叫做封裝的熱參數(shù)或者熱指標(biāo)。

1.1結(jié)-空氣熱阻

考慮任一種封裝安裝在板上的情況，封裝中芯片產(chǎn)生的熱量通過不同路徑擴散。不管何種封裝，熱量最終都散入周圍空氣。所以衡量封裝冷卻效率的一個有效指標(biāo)是結(jié)-空氣熱阻，定義如下：

1.2結(jié)-殼熱阻和結(jié)-板熱阻

芯片產(chǎn)生的熱量通過封裝內(nèi)部各種復(fù)雜的路徑穿過封裝頂部到空氣或安裝在頂部的散熱器，或底部到印制電路板，以進行散熱。封裝的結(jié)-殼和結(jié)-板熱阻標(biāo)志著不同傳熱路徑。結(jié)-殼熱阻定義為

封裝的結(jié)-板熱阻定義為：

1.3封裝的特性參數(shù)

結(jié)-殼熱阻和結(jié)-板熱阻分別在芯片熱量幾乎全部傳到管殼和板上兩種條件下測量。管殼或者板上連接高效的散熱器就能滿足以上條件。即便沒有散熱器，但是封裝安裝在高導(dǎo)熱系數(shù)的板上，周圍是極低速的氣流或者完全沒有強制對流，也能滿足上述條件。因為此時絕大部分熱量流入板內(nèi)。在滿足這些條件的情況下，根據(jù)結(jié)-殼或結(jié)-板熱阻、管殼或板的溫度、封裝散熱量，就可以估算芯片的結(jié)溫。然而，對于絕大部分器件，只有一部分芯片產(chǎn)熱通過管殼散失，其余部分通過板逸散。此時不可能單獨測量管殼散熱量或者板的散熱量。那么上述公式就不能用來計算芯片結(jié)溫。所以需要定義熱特性參數(shù)來解決這個問題。

2 封裝的熱組網(wǎng)絡(luò)

芯片熱損耗通過兩條路徑逸散：一條朝著封裝管殼的頂部，另一條朝著封裝的底部或者通過引腳導(dǎo)到板上。結(jié)-殼和結(jié)-板熱阻即分別指結(jié)點至管殼和至板的熱阻。管殼和周圍空氣之間的對流熱阻，稱作殼-空氣熱阻，記做。其余熱量傳遞至板上，通過板的頂面和底面散到環(huán)境里。板的安裝器件的一面，也就是T測量點所在的面，和空氣之間的熱阻叫做板-空氣熱阻，用表示。

圖 1是一條典型封裝的等效熱阻網(wǎng)絡(luò)。熱阻網(wǎng)絡(luò)表示了結(jié)點至封裝周圍環(huán)境之間的總熱阻，即結(jié)-空氣熱阻，熱阻之間存在如下關(guān)系。

圖 2典型封裝的等效熱阻網(wǎng)絡(luò)

表明幾乎所有的熱量都通過板散失。

結(jié)-殼熱阻和結(jié)-板熱阻是導(dǎo)熱熱阻，它們?nèi)Q于封裝的幾何尺寸以及材料特性。這兩者是封裝本身的固有屬性，不會隨著諸如氣流速度、底板尺寸、板材料、外部環(huán)境等的改變而改變。另一方面，殼-空氣熱阻是對流和輻射熱阻，其大小取決于封裝幾何尺寸、表面性質(zhì)、散熱量、氣流的速度和溫度等環(huán)境條件以及周圍環(huán)境溫度。類似的，板-空氣熱阻取決于板的幾何尺寸、熱導(dǎo)率、表面特性、封裝散熱量和環(huán)境條件。由于結(jié)-空氣熱阻依賴于以上提到的熱阻，因而是封裝、底板和環(huán)境條件的函數(shù)。封裝特性參數(shù)與之類似。明確此點非常重要，它表面結(jié)-空氣熱阻和熱特性參數(shù)只有在確定的測量條件下才有意義，不能在其他情況下被用來預(yù)測接點溫度。與之相反，結(jié)-殼熱阻和結(jié)-板熱阻是封裝的固有屬性，不會因封裝的工作環(huán)境改變而改變。

3 影響封裝熱性能的參數(shù)

3.1封裝尺寸

內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻（結(jié)-殼熱阻和結(jié)-板熱阻）和外部對流輻射熱阻（殼-空氣和板-空氣熱阻）都和封裝表面積成反比關(guān)系。所以，封裝尺寸越大，則熱阻越低。

3.2封裝材料

高熱導(dǎo)率的管殼材料，如陶瓷、金屬以及高熱導(dǎo)率的基板材料，如陶瓷等都會使結(jié)-殼熱阻和結(jié)-板熱阻降低，進而使結(jié)-空氣熱阻降低。例如，由于陶瓷的熱導(dǎo)率比塑料高得多，陶瓷封裝比同類塑料的熱阻低。

3.3芯片尺寸

芯片尺寸通常比與之相連的基板或者上蓋的尺寸小得多。因而，芯片與基板以及芯片與上蓋之間的擴散熱阻隨著芯片尺寸的增加而減小。這種現(xiàn)象在芯片發(fā)熱不均時尤為明顯，此時，熱量集中在芯片上的一個小區(qū)域，熱源面積比實際芯片面積要小的多。

3.4器件熱耗散量

器件熱耗散量增大，其溫度也跟著升高。物體溫度升高，則自然對流散熱量和輻射散熱量越大。所以殼-空氣熱阻和板-空氣熱阻減小，進而導(dǎo)致結(jié)-空氣熱阻的減小。隨著熱耗散量的增大，結(jié)-空氣熱阻減小，而結(jié)-殼熱阻不變。結(jié)-殼熱阻不隨熱耗散量變化的結(jié)果可以預(yù)料，因為它是一個導(dǎo)熱熱阻，僅和封裝材料和尺寸有關(guān)。

3.5氣流速度

氣流速度越高，則對流效果越好，因而殼-空氣熱阻隨著氣流速度的增大而減小。當(dāng)氣流速度增大到一定值后，結(jié)-空氣熱阻隨著氣流速度增大而減小的速度變慢，這表明氣流速度增加到某一值后，熱阻的降低將變得微乎其微，此時在增大氣流速度毫無意義。氣流速度不影響封裝的結(jié)-殼熱阻。

3.6板的尺寸和導(dǎo)熱系數(shù)

高導(dǎo)熱系數(shù)的板可以減小板的導(dǎo)熱熱阻，進而減小板-空氣熱阻；大尺寸的板可以減小對流熱阻和輻射熱阻，同樣減小板-空氣熱阻，所以，大尺寸或高導(dǎo)熱系數(shù)的板可以減小板-空氣熱阻，因而，減小結(jié)-空氣熱阻。圖表明一個引腳的PQFP封裝安裝在高導(dǎo)熱系數(shù)的PCB上時，其結(jié)-空氣熱阻減小。然而，當(dāng)PCB與封裝的面積比大于5后，結(jié)-空氣熱阻不會再隨著PCB面積增加而減小。這是因為，距離封裝的距離遠(yuǎn)時，板溫降低，而板和空氣之間的溫差與換熱量成正比，因而遠(yuǎn)處的面積對于散熱沒有幫助。

4 結(jié)論

為了提高微電子的熱特性參數(shù)，在滿足性能的前提下，應(yīng)盡量選擇封裝材料導(dǎo)熱性良好的微電子器件，微電子器件應(yīng)安裝在導(dǎo)熱性良好的板上，且保證板的尺寸足夠大，必要時還應(yīng)保證微電子器件表面的氣流速度。

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[4] 錢頌文. 換熱器設(shè)計手冊[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2002.

Thermal Characteristics of Microelectronics

Yan Xiangfeng1, Wang Jianxia2

（1. XiangTan Electric Manufacturing Co, Ltd., Xiangtan 411101, Hunan, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TP212

A

1003-4862（2016）08-0041-03

2016-05-23

嚴(yán)向峰（1980-），男，工程師，研究方向：電機及其控制技術(shù)。汪劍俠（1964-），男，高級工程師。研究方向：電機及其控制技術(shù)。