基于Icepak的小外形封裝結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)和分析*

胡文華，徐 成，徐 健，孫 鵬

（華進(jìn)半導(dǎo)體封裝先導(dǎo)技術(shù)研發(fā)中心有限公司，江蘇無(wú)錫 214135）

1 前言

半導(dǎo)體器件工作時(shí)會(huì)源源不斷地產(chǎn)生熱量，熱量的積累會(huì)引起器件內(nèi)部溫度的上升，芯片結(jié)溫過(guò)高會(huì)導(dǎo)致器件失效甚至損壞，因此半導(dǎo)體器件的封裝散熱問(wèn)題越來(lái)越受到廣泛關(guān)注。

封裝的熱阻是表征半導(dǎo)體器件工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量向外界耗散的能力，熱阻越大，熱量越不容易散發(fā)出去。它也是熱設(shè)計(jì)中一個(gè)相當(dāng)重要的參數(shù)，對(duì)半導(dǎo)體器件特別是功率器件的產(chǎn)品性能和可靠性有著重要的影響。根據(jù)JEDEC JESD-51系列標(biāo)準(zhǔn)，我們可以定義封裝的各個(gè)熱阻。

θJX為結(jié)到環(huán)境、PCB板（Printed Circuit Board，印刷電路板）、封裝體表面的熱阻，單位℃·W-1；TJ為器件達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的芯片結(jié)溫，單位℃；TA為環(huán)境溫度，單位℃；TB為穩(wěn)態(tài)時(shí)PCB板溫度，單位℃；TC為穩(wěn)態(tài)時(shí)封裝體表面溫度，單位℃；PD為器件熱耗散功率，單位W。

半導(dǎo)體器件工作時(shí)一般在芯片表層產(chǎn)生熱量，熱量散發(fā)至外界環(huán)境中必須經(jīng)過(guò)各層導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)行熱量交換。在一維穩(wěn)態(tài)均勻傳導(dǎo)傳熱時(shí)，每層導(dǎo)熱介質(zhì)的熱阻為：

L為熱傳導(dǎo)路徑的長(zhǎng)度，單位m；k為材料的熱導(dǎo)率，單位W·(m·℃)-1；A為熱流傳導(dǎo)的面積，單位m2。

經(jīng)過(guò)某一散熱通道的總熱阻和為：

而通過(guò)不同方向、不同路徑散熱的總熱阻為：

小外形塑料封裝（small outline plastic package）是電子器件封裝中比較主流的封裝形式，包含了多種類(lèi)別，本文就其散熱方面展開(kāi)討論，并且通過(guò)熱仿真軟件對(duì)不同熱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的同一小外形封裝進(jìn)行建模和仿真計(jì)算，從而分析散熱通道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)改善封裝散熱的影響。

2 數(shù)學(xué)建模和熱阻計(jì)算

典型的小外形塑料封裝的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括芯片（die）、裝片膠（die attach）、芯片基島（die paddle）、引腳（lead）、焊線(xiàn)（bonding wire）、模塑料（molding compound）等。

半導(dǎo)體器件工作時(shí)，芯片產(chǎn)生的熱量主要通過(guò)傳導(dǎo)的方式傳輸?shù)椒庋b體的外面。雖然芯片和模塑料之間還存在輻射散熱，但是由于芯片表面的輻射率很低，通過(guò)輻射散發(fā)出去的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳導(dǎo)散發(fā)的熱量；其次，在封裝體內(nèi)，由于沒(méi)有對(duì)流，不存在對(duì)流散熱[4-5]。因此，在本文的結(jié)到PCB板熱阻計(jì)算中，我們只考慮封裝本身的傳導(dǎo)散熱，而忽略輻射和對(duì)流散熱以及封裝以外的環(huán)境因素（如空氣、PCB板等）。

圖1 小外形塑料封裝結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為小外形封裝熱流傳輸?shù)牡刃崧穲D，從圖中可以看出主要有4條熱量傳輸路徑：

（1）熱量通過(guò)封裝體直接傳導(dǎo)至其上表面的空氣中，熱阻記為 θCaseTop；

（2）熱量通過(guò)芯片、裝片膠、芯片基島、封裝體傳導(dǎo)至其下表面的空氣中，熱阻分別記為

（3）熱量通過(guò)芯片、裝片膠、芯片基島、連接基島的引腳傳導(dǎo)至PCB板上，熱阻分別記為

（4）熱量通過(guò)焊線(xiàn)、其他打線(xiàn)的引腳傳導(dǎo)至PCB板上，熱阻分別記為 θWire、θLead2。

圖2 熱流傳輸?shù)刃崧穲D

表1是一實(shí)際小外形封裝器件的尺寸參數(shù)和使用材料的熱導(dǎo)率，有些材料的熱導(dǎo)率與溫度、密度等密切相關(guān)，在此我們忽略溫度和密度對(duì)熱導(dǎo)率的影響。

表1 小外形封裝器件的尺寸和參數(shù)

根據(jù)公式（4）我們可以計(jì)算出各層導(dǎo)熱介質(zhì)的熱阻值，如表2所示。在計(jì)算中關(guān)于各介質(zhì)層的導(dǎo)熱面積的計(jì)算采用45°擴(kuò)散法[6]。45°擴(kuò)散法認(rèn)為熱流是以45°的擴(kuò)散角從熱源向?qū)狍w擴(kuò)散開(kāi)來(lái)，當(dāng)熱流擴(kuò)散時(shí)，熱通路的截面積不斷增加，計(jì)算時(shí)取平均截面積，即為熱流通路的最大值和最小值的平均值。

根據(jù)公式（5）可以計(jì)算出各熱流通路的熱阻值：

結(jié)到引腳2熱阻：

表2 各導(dǎo)熱介質(zhì)層熱阻理論計(jì)算值

結(jié)合公式（6）可以看出，小外形封裝結(jié)到引腳1的熱阻較小，整個(gè)封裝的熱量主要是從芯片表面通過(guò)連接基島的引腳1傳遞到PCB板上。值的一提的是，雖然結(jié)到引腳2的熱阻非常大，但是如果有多個(gè)引腳，則此熱阻會(huì)成比例減小，比如有100個(gè)引腳，則熱阻可降低到100.4℃·W-1，這將和主散熱通道有相當(dāng)?shù)臒崃亢纳⒛芰Α?/p>

3 散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化和分析

3.1 封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化

從公式（4）中可知，熱阻和導(dǎo)熱介質(zhì)的熱導(dǎo)率、厚度以及導(dǎo)熱面積有關(guān)。對(duì)于這類(lèi)有主散熱通道的封裝，其熱阻主要為從芯片表面到連接芯片基島的引腳之間的熱阻。因此，為了改善小外形封裝的熱阻，我們可以對(duì)主散熱通道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如縮短散熱通道路徑、擴(kuò)大散熱面積、增加散熱通道等。

圖3為某一個(gè)小外形封裝的產(chǎn)品，它們的封裝外形結(jié)構(gòu)基本相同，但是引線(xiàn)框架采用不同的熱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)：（a）為典型的傳統(tǒng)引線(xiàn)框架結(jié)構(gòu)，引腳呈鷗翼型；（b）的芯片基島下沉，并且引腳是扁平的；（c）的芯片基島外部完全裸露，可以直接貼在PCB板上；（d）采用夾扣鍵合（clip bonding）結(jié)構(gòu)[7]，由引線(xiàn)鍵合變?yōu)殂~片鍵合。4 種結(jié)構(gòu)的芯片基島尺寸相等，（a）、（b）、（d）的框架厚度均為100 μm，而（c）的引線(xiàn)框架由于采用半蝕刻工藝，其厚度為200 μm，并且引腳變寬。

圖3 同一小外形封裝產(chǎn)品的不同熱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)（上面為俯視圖，下面為側(cè)視圖）

3.2 仿真和測(cè)試結(jié)果分析

利用專(zhuān)業(yè)熱仿真軟件ANSYS-Icepak 15.0對(duì)以上4種結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行建模，為了便于進(jìn)行比較，在模型中將芯片、裝片膠、模塑料、芯片基島的尺寸和材料熱導(dǎo)率均設(shè)置相同，如表1所示，引線(xiàn)框架均采用A194銅合金，φ 22 μm的焊線(xiàn)等效成邊長(zhǎng)20 μm的焊條?；谟邢拊治龇ǎ瑓⒄認(rèn)EDEC的封裝熱阻測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[1-2]，將芯片功率設(shè)置為固定值0.3 W，分別仿真計(jì)算出4種結(jié)構(gòu)的熱阻θJA和θJB。θJA為靜止空氣中結(jié)到環(huán)境的熱阻，認(rèn)為熱量是從封裝的各個(gè)方向耗散到空氣中，θJB為結(jié)到PCB板的熱阻，認(rèn)為所有的熱量都通過(guò)PCB板耗散，PCB板的溫度測(cè)試點(diǎn)在引腳和PCB板的連接處，即此溫度也是封裝引腳的溫度。仿真模型和溫度梯度云圖如圖4、圖5所示，由仿真軟件模擬可以得到結(jié)溫 TJ、PCB 板溫度 TB等，從而根據(jù)公式（1）、（2）可以計(jì)算出熱阻值θJA、θJB，數(shù)據(jù)如表3所示。

圖4 結(jié)到環(huán)境熱阻θJA仿真溫度云圖

圖5 結(jié)到PCB板θJB熱阻仿真溫度云圖

表3 熱阻仿真值

從θJA和θJB的熱阻仿真數(shù)據(jù)均可以看出，與典型的傳統(tǒng)引線(xiàn)框架結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)（b）由于芯片基島下沉，通過(guò)引腳的散熱路徑變短，并且扁平的引腳增加了與PCB板的接觸面積，主散熱通道的熱阻變小，θJB下降27%，整個(gè)封裝的熱阻值變小，θJA下降將近19%，θJB下降將近27%。結(jié)構(gòu)（c）由于芯片基島完全裸露，直接和PCB板接觸，散熱面積顯著增大，并且熱量從芯片經(jīng)過(guò)基島直接傳遞到PCB板上，熱傳遞路徑也明顯縮短，所以它的結(jié)溫最低、熱阻最小，與結(jié)構(gòu)（a）相比θJB下降79%，θJA降低一半，因此此結(jié)構(gòu)的散熱性能最好。結(jié)構(gòu)（d）和結(jié)構(gòu)（b）相比，由引線(xiàn)鍵合變?yōu)閵A扣鍵合，主散熱通道由原來(lái)的一條增加到兩條，故散熱性能改善明顯，但是仍然差于基島裸露的結(jié)構(gòu)（c）。可以預(yù)見(jiàn)，如果將結(jié)構(gòu)（d）的芯片基島完全裸露直接貼到PCB板上，并且采用夾扣鍵合工藝，其散熱性能將得到進(jìn)一步提升，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于以上4種結(jié)構(gòu)，適用于大功率的半導(dǎo)體器件封裝。

我們對(duì)不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的封裝器件進(jìn)行熱阻測(cè)試，測(cè)試使用RTHJ6000熱阻測(cè)試儀，測(cè)試儀器是基于電學(xué)測(cè)試法。半導(dǎo)體器件熱阻測(cè)試的核心是要得到結(jié)溫，電學(xué)測(cè)試方法[8]就是利用半導(dǎo)體器件溫度敏感參數(shù)與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，間接測(cè)試出待測(cè)器件的結(jié)溫和熱阻值?，F(xiàn)在普遍利用的溫度敏感參數(shù)是二極管的正向電壓（VF：Forward Voltage），因?yàn)?VF與溫度具有很好的線(xiàn)性關(guān)系。半導(dǎo)體器件熱阻測(cè)試示意圖如圖6所示，測(cè)試的基本原理和步驟為：首先將器件放置于加熱烤箱中，給二極管施加一個(gè)正向小測(cè)試電流IM，逐漸升高烤箱溫度，測(cè)出二極管正向電壓VF和溫度即結(jié)溫的對(duì)應(yīng)關(guān)系；再將器件放置于常溫密封箱內(nèi)，給二極管施加同樣的正向測(cè)試電流IM，測(cè)出與環(huán)境溫度TA對(duì)應(yīng)的二極管正向電壓VF1；然后給二極管通入一定的恒定正向大電流IT，施加的電功率使得器件結(jié)溫逐漸升高，待達(dá)到平衡后測(cè)試正向電壓為VFT；將電流快速切換到測(cè)試電流IM，測(cè)量此時(shí)的正向電壓VF2以確定對(duì)應(yīng)的結(jié)溫TJ。

圖6 電學(xué)法測(cè)試熱阻

測(cè)試時(shí)，為了便于將引腳引出，我們將器件焊接在陶瓷片上，設(shè)置正向小測(cè)試電流IM=5 mA，恒定正向大電流IT=0.3 A，同時(shí)用熱電偶溫度計(jì)點(diǎn)測(cè)封裝引腳和陶瓷片接觸處的溫度。分別測(cè)試了基于（a）、（b）、（c）結(jié)構(gòu)封裝的不同器件結(jié)到環(huán)境熱阻θJA和結(jié)到PCB板的熱阻θJB，結(jié)構(gòu)（d）的測(cè)試數(shù)據(jù)取參考文獻(xiàn)[7]中的測(cè)試結(jié)果平均值，測(cè)試數(shù)據(jù)匯總于表4。從測(cè)試結(jié)果可以看出，雖然由于測(cè)試環(huán)境和仿真環(huán)境存在差別并且測(cè)試存在誤差使得仿真和測(cè)試數(shù)據(jù)存在差異，但是4種結(jié)構(gòu)的散熱性能和熱阻數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)和仿真結(jié)果一致，即結(jié)構(gòu)（c）的熱量耗散能力依次優(yōu)于（d）、（b）、（a）。

表4 熱阻測(cè)試值

4 結(jié)論

本文針對(duì)小外形封裝，首先介紹了它的熱傳輸機(jī)制和等效熱流通道，然后用理論計(jì)算的方法分析了它的主要散熱路徑。通過(guò)對(duì)幾種不同熱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的封裝進(jìn)行熱阻仿真和測(cè)試的結(jié)果可以看出，即使對(duì)于同一種封裝，由于引線(xiàn)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，散熱性能也相差甚大。

對(duì)于有主散熱通道的封裝來(lái)說(shuō)，我們可以從增加散熱通道的面積、縮短散熱路徑、基島裸露、拓展散熱通道數(shù)量等方法上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而改善封裝的散熱性能。這些方法不僅僅限于小外形封裝，也為其他電子封裝的熱阻分析和散熱優(yōu)化提供了思路。