IC封裝中熱設(shè)計(jì)探討

1、IC封裝中的熱設(shè)計(jì)探討1摘要：簡要介紹了集成電路各項(xiàng)熱阻的含義及熱阻的測(cè)試方法，并從封裝材料的熱傳特性、電路的封裝形式以及電路的內(nèi)部機(jī)械參數(shù)等方面，探討了改善集成電路熱阻的方法，供從事封裝熱設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員參考。1 IC封裝中的熱設(shè)計(jì)研究的意義和目的當(dāng)前，電子設(shè)備的主要失效形式就是熱失效。隨著溫度的增加，電子設(shè)備的失效率呈指數(shù)增長。因?yàn)榧呻娐分腥绻a(chǎn)生的熱量不能及時(shí)傳遞出去造成熱積累，高溫會(huì)造成電路內(nèi)焊點(diǎn)金屬間化合物(IMC)增厚加速，導(dǎo)致焊接點(diǎn)變脆，機(jī)械強(qiáng)度下降。結(jié)點(diǎn)溫度的升高還會(huì)使晶體管的電流放大倍數(shù)迅速增加，導(dǎo)致集電極電流增加，又使結(jié)溫進(jìn)一步升高，最終導(dǎo)致元件失效。而不斷增加的功率密

2、度使得封裝設(shè)計(jì)中的熱設(shè)計(jì)工作越來越收到重視。所以，本文以減小熱失效為目的，以增加散熱途徑為方法，尋找高散熱為導(dǎo)向。其實(shí)，熱失效是一個(gè)正反饋的過程，只要消除正反饋的條件，就可以消除熱失效。2 散熱的途徑2.1 傳導(dǎo)物質(zhì)本身或當(dāng)物質(zhì)與物質(zhì)接觸時(shí)，能量的傳遞就被稱為熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)遵循傅立葉傳熱定律：式中：傳導(dǎo)熱量（W）;傳導(dǎo)系數(shù)（W/m.）；傳熱面積(m2)；傳熱長度(m)；溫度差()。熱阻表示單位面積、單位厚度的材料阻止熱量流動(dòng)的能力，表示為：因此，從熱阻公式我們就可以發(fā)現(xiàn)，熱量傳遞的大小同熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱傳熱面積成正比，同距離成反比。熱傳遞系數(shù)越高、熱傳遞面積越大，傳輸?shù)木嚯x越短，那么熱傳導(dǎo)的能量

3、就越高，也就越容易帶走熱量。2.2 對(duì)流對(duì)流是指流體(氣體或液體)與固體便面接觸，造成流體從固體表面將熱帶走的熱傳遞方式。熱對(duì)流公式為：式中：傳導(dǎo)熱量；熱對(duì)流系數(shù)值；傳熱面積；溫度差；可見熱對(duì)對(duì)流傳遞中，熱量傳遞的數(shù)量同熱對(duì)流系數(shù)、有效接觸面積和溫度差成正比關(guān)系；熱對(duì)流系數(shù)越高、有效接觸面積越大、溫度差越高，所能帶走的熱量也就越多。2.3 輻射熱輻射是一種可以在沒有任何介質(zhì)的情況下，不需要接觸，就能夠發(fā)生熱交換的傳遞方式，也就是說，熱輻射其實(shí)就是以波的形式達(dá)到交換的目的。熱輻射公式的傳導(dǎo)公式為：式中：物質(zhì)表面的熱輻射系數(shù)，粗糙的表面與非金屬類的熱輻射系數(shù)值較大；傳熱面積；輻射熱交換的角度和表面

4、的函數(shù)關(guān)系；表面溫度差。因此熱輻射系數(shù)、物質(zhì)表面積的大小以及溫度差之間都存在正比關(guān)系。集成電路散熱形式中熱傳導(dǎo)約占60%，熱對(duì)流約占25%30%，熱輻射只占10%15%。集成電路芯片內(nèi)部所產(chǎn)生的熱量，通過芯片與外殼底座間的焊料層（如有機(jī)或金屬合金材料）傳導(dǎo)到外殼的底座上，在由底座將熱量傳導(dǎo)到外殼其他部位或所附的散熱片上，并通過它們將熱量散發(fā)到周圍介質(zhì)中去，因此，熱傳導(dǎo)是集成電路傳導(dǎo)的主要方式。集成電路內(nèi)部的芯片表面的線路在有電流經(jīng)過時(shí)，其中的高功率器件會(huì)產(chǎn)生熱量。，芯片上產(chǎn)生電熱量，可以通過幾條途徑傳導(dǎo)出去，電路內(nèi)部構(gòu)造及工作溫度分布曲線如圖1、圖2所示。根據(jù)國際半導(dǎo)體設(shè)備材料產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)SEMI

5、 STDG38-0996以及國際電工委員會(huì)JEDEC JC51標(biāo)準(zhǔn)中定義的集成電路中各項(xiàng)熱阻名稱，各溫度點(diǎn)位置如圖3所示。是集成電路芯片結(jié)點(diǎn)處的溫度，單位為。是電路使用時(shí)的環(huán)境溫度，單位為。是電路表面殼體的溫度，單位為。是電路的消耗功率，單位為W。功率是熱量產(chǎn)生的直接原因。功耗大的芯片，發(fā)熱量也一定大。熱阻的單位為m2.K/W。是測(cè)量在大自然對(duì)流或強(qiáng)制對(duì)流條件下從芯片接面到大氣中的熱阻。由于測(cè)量時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的條件下去做，因此對(duì)于不同的基板設(shè)計(jì)以及環(huán)境條件就會(huì)有不同的結(jié)果，因此可用于比較封裝散熱的容易與否，用于定性的比較。是指部分的熱由芯片接面?zhèn)鞯椒庋b上方外殼的熱阻，該定義可用于師姐系統(tǒng)產(chǎn)品由I

6、C封裝外表面溫度預(yù)測(cè)芯片接面溫度。是指在大自然對(duì)流以及風(fēng)洞環(huán)境下由芯片接面?zhèn)鞯较路綔y(cè)試版部分熱傳時(shí)所產(chǎn)生的熱阻，可用于由板溫去預(yù)測(cè)接面溫度。在電路內(nèi)部主要靠傳導(dǎo)散熱，而外部則由膠體而和外引腳向空中輻射散熱，同時(shí)，外引腳還通過與PCB的連接傳導(dǎo)散熱。所以從集成電路內(nèi)部及外部的散熱特性決定我們?cè)诜庋b設(shè)計(jì)時(shí)的薩斯內(nèi)熱設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)方向主要是在、一定時(shí)，要降低、的熱阻值，以降低的值。因?yàn)殡S著結(jié)點(diǎn)溫度的提高，半導(dǎo)體器件性能將會(huì)下降。結(jié)點(diǎn)溫度過高將導(dǎo)致芯片工作不穩(wěn)定，系統(tǒng)死機(jī)，最終芯片燒毀。所以每種集成電路一般都會(huì)給出的值，以提示注意使用環(huán)境。3 集成電路熱阻的測(cè)試方法集成電路在封裝完成后，其熱阻TJC一

7、般就固定不變了。對(duì)熱阻的測(cè)量總的來說可分為兩種：直接法和間接法。紅外法測(cè)試就是一種直接法，它是用紅外測(cè)溫儀對(duì)準(zhǔn)發(fā)熱芯片的表面，即可獲得、，但是為了獲得需要將電路開封，可能會(huì)損傷內(nèi)引線和芯片，所以直接法比較有限。間接法(也稱電學(xué)法)的測(cè)量原理是利用溫度敏感參數(shù)作為溫度指示。通常是測(cè)量一恒定的正向小電流的晶體管發(fā)射極與基極的電壓，而隨溫度的變化是個(gè)常數(shù)。對(duì)于硅器件，在絕對(duì)溫度時(shí)的值是1267mV，鍺是800mV，誤差在2%以內(nèi)。而封裝廠在測(cè)試芯片熱阻時(shí)候通常采用標(biāo)準(zhǔn)芯片法，就是在芯片上做幾個(gè)電阻用來產(chǎn)生功耗，在芯片中央和其它的位置放置小尺寸的晶體管，通過測(cè)量晶體管的熱敏參數(shù)(正向)得到芯片的溫度。

8、再由公式直接算出熱阻值。用標(biāo)準(zhǔn)芯片測(cè)量各種封裝的熱阻可得到精確的結(jié)果。但因標(biāo)準(zhǔn)芯片的制作費(fèi)用昂貴，所以只能為少數(shù)廠家所接受。也有人研究得出，在封裝形式、材料和工藝類似的條件下，集成電路的基本不變，所以如不是很嚴(yán)格的情況下，可直接參照國際大公司的熱阻值來估算。3 熱傳遞特性及封裝結(jié)構(gòu)看散熱改善我們知道導(dǎo)熱系數(shù)它表征物體導(dǎo)熱能力的大小，單位為。導(dǎo)熱系數(shù)是反映材料的導(dǎo)熱性能的重要參數(shù)之一，導(dǎo)熱系數(shù)越大則熱阻越小，由單位可以看出是倒數(shù)關(guān)系。非晶體結(jié)構(gòu)、密度較低的材料，導(dǎo)熱系數(shù)較小。材料的含水率、溫度較低時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)較小。長期研究表明，常溫時(shí)各種不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)的變化范圍很大。不同的物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值

9、不同，一般情況是固體的導(dǎo)熱系數(shù)最大(保溫材料除外)，液體(不包含液態(tài)金屬)次之，而絕熱材料和氣體最小。對(duì)各種材料導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值，除因其種類的不同而不同外，導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值往往隨溫度、壓力、密度和濕度的改變而變化。固體材料：導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度上升而增大。金屬導(dǎo)體：導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度上升而減小。純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)值大于合金，且合金中雜質(zhì)含量越多，導(dǎo)熱系數(shù)值越小。由以上物體傳熱特性，我們知道可以從增加金屬導(dǎo)體的傳熱面積，縮短芯片發(fā)熱結(jié)點(diǎn)對(duì)外熱傳導(dǎo)距離以減小熱阻值加快物體間的熱傳遞。隨著我們電路的集成度的不斷提高，電路功率不攢提升，新的更合理的封裝形式不斷被研發(fā)應(yīng)用。根據(jù)熱傳導(dǎo)的定律，在材質(zhì)固定的前提下，傳導(dǎo)能力

10、與接觸面積成正比，與接觸距離成反比。接觸面積越大，就能使熱量越快地散發(fā)出去。最先被想到的就是增加金屬的熱傳導(dǎo)面積，以增加電路的散熱能力。而隨著集成度的提高與微型化的需要，更合理的封裝結(jié)構(gòu)被研發(fā)出來。研究表明，表面貼裝(SMD)的集成電路有70%以上的熱能是依靠PCB帶走的，而如果PCB響應(yīng)位置再增加金屬面，則PCB對(duì)電路的散熱能力達(dá)到90%以上?？s短熱傳距離來改善散熱效果如圖4所示?？梢姛醾鲗?dǎo)的距離縮短及傳遞介質(zhì)的改善，封裝熱阻大大得到改善。有公式可知，在、不變的情況下，我們要降低單路結(jié)點(diǎn)溫度的值，使它不超過電路參數(shù)表提供的最大值，就必須把熱阻、的值降低。4 從IC內(nèi)部結(jié)構(gòu)及材料特性改善電路熱

11、阻在同種封裝形式下，我們可以通過改變一些引線框架的機(jī)械參數(shù)來改善電路的散熱特性，減??；研究表明，散熱底板暴露面積與熱阻有如下關(guān)系，如圖5、圖6所示。所以改善電路的散熱效果，我們?cè)谠O(shè)計(jì)框架時(shí)，可考慮用增加框架底板的暴露面積，并使引腳盡量貼近底板，以縮短熱傳遞距離，縮小熱阻的值。研究還表明，增大底板的面積也可改善電路的散熱性，減小熱阻，但由于增大底板面積會(huì)引起材料的浪費(fèi)，所以現(xiàn)在很少用這種方法?？蚣懿牧系臒醾鲗?dǎo)率，同樣會(huì)影響整個(gè)電路的散熱特性，影響電路的熱阻，電路的熱阻隨框架的熱傳導(dǎo)率的升高而降低。所以選擇的熱阻隨框架材料不僅要考慮熱膨脹系數(shù)對(duì)電路可靠性影響，也要兼顧材料熱傳導(dǎo)率。引腳與底板間的距

12、離對(duì)電路熱阻的影響，電路的熱阻隨引腳與底板間距離的縮小而降低。另外，有研究表明，因?yàn)榄h(huán)氧樹脂中高分子材料的導(dǎo)熱性很低0.15，其介電常數(shù)隨體積填充量的增加亦有所增加，但仍熱維持在低水平。采用模型進(jìn)行理論計(jì)算的結(jié)果表明，該體系導(dǎo)熱性能的提高與填料之間熱傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的形成有關(guān)。由物質(zhì)的導(dǎo)熱性可知，要改善集成電路的熱特性，還可以從控制注塑時(shí)的氣孔及芯片與引線架底板粘結(jié)時(shí)銀膠的氣泡數(shù)量等方面考慮，同時(shí)用高導(dǎo)熱的導(dǎo)電膠等，以降低材料各部分熱阻，使集成電路的總體熱阻得帶改善。5 結(jié)論通過分析集成電路熱阻的相關(guān)因素后，給出了集成電路熱阻的定義及應(yīng)用方式，以便在進(jìn)行集成電路的封裝設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)其中熱阻形式的各個(gè)因素加以嚴(yán)格控制改善。從封裝材料、封裝形式、封裝過程質(zhì)量諸多因素中去優(yōu)選出最佳方案，針對(duì)不同的封裝形式來設(shè)計(jì)出最符合成本及功能的散熱方式。