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(jī)股份有限公司，湖南411101；2. 武漢船用電力推進(jìn)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(jìn)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(hù)，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(kuò)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(jìn)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(hù)器件，進(jìn)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(diǎn)。結(jié)點(diǎn)最高運(yùn)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(diǎn)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(xiàng)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(kuò)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(jìn)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(qiáng)制對流，也能滿足上述條件。因?yàn)榇藭r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(dú)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)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(kuò)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(shí)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(jìn)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?yàn)樗且粋€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(jìn)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?yàn)?，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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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(jī)及其控制技術(shù)。汪劍俠（1964-），男，高級工程師。研究方向：電機(jī)及其控制技術(shù)。