IC封裝中熱設計探討

1、IC封裝中的熱設計探討1摘要：簡要介紹了集成電路各項熱阻的含義及熱阻的測試方法，并從封裝材料的熱傳特性、電路的封裝形式以及電路的內部機械參數(shù)等方面，探討了改善集成電路熱阻的方法，供從事封裝熱設計的工程技術人員參考。1 IC封裝中的熱設計研究的意義和目的當前，電子設備的主要失效形式就是熱失效。隨著溫度的增加，電子設備的失效率呈指數(shù)增長。因為集成電路中如果產(chǎn)生的熱量不能及時傳遞出去造成熱積累，高溫會造成電路內焊點金屬間化合物(IMC)增厚加速，導致焊接點變脆，機械強度下降。結點溫度的升高還會使晶體管的電流放大倍數(shù)迅速增加，導致集電極電流增加，又使結溫進一步升高，最終導致元件失效。而不斷增加的功率密

2、度使得封裝設計中的熱設計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，尋找高散熱為導向。其實，熱失效是一個正反饋的過程，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 傳導物質本身或當物質與物質接觸時，能量的傳遞就被稱為熱傳導。熱傳導遵循傅立葉傳熱定律：式中：傳導熱量（W）;傳導系數(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，那么熱傳導的能量

3、就越高，也就越容易帶走熱量。2.2 對流對流是指流體(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。熱對流公式為：式中：傳導熱量；熱對流系數(shù)值；傳熱面積；溫度差；可見熱對對流傳遞中，熱量傳遞的數(shù)量同熱對流系數(shù)、有效接觸面積和溫度差成正比關系；熱對流系數(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，熱輻射其實就是以波的形式達到交換的目的。熱輻射公式的傳導公式為：式中：物質表面的熱輻射系數(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)關系；表面溫度差。因此熱輻射系數(shù)、物質表面積的大小以及溫度差之間都存在正比關系。集成電路散熱形式中熱傳導約占60%，熱對流約占25%30%，熱輻射只占10%15%。集成電路芯片內部所產(chǎn)生的熱量，通過芯片與外殼底座間的焊料層（如有機或金屬合金材料）傳導到外殼的底座上，在由底座將熱量傳導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)到周圍介質中去，因此，熱傳導是集成電路傳導的主要方式。集成電路內部的芯片表面的線路在有電流經(jīng)過時，其中的高功率器件會產(chǎn)生熱量。，芯片上產(chǎn)生電熱量，可以通過幾條途徑傳導出去，電路內部構造及工作溫度分布曲線如圖1、圖2所示。根據(jù)國際半導體設備材料產(chǎn)業(yè)協(xié)會SEMI

5、 STDG38-0996以及國際電工委員會JEDEC JC51標準中定義的集成電路中各項熱阻名稱，各溫度點位置如圖3所示。是集成電路芯片結點處的溫度，單位為。是電路使用時的環(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。是測量在大自然對流或強制對流條件下從芯片接面到大氣中的熱阻。由于測量時在標準規(guī)范的條件下去做，因此對于不同的基板設計以及環(huán)境條件就會有不同的結果，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封裝外表面溫度預測芯片接面溫度。是指在大自然對流以及風洞環(huán)境下由芯片接面?zhèn)鞯较路綔y試版部分熱傳時所產(chǎn)生的熱阻，可用于由板溫去預測接面溫度。在電路內部主要靠傳導散熱，而外部則由膠體而和外引腳向空中輻射散熱，同時，外引腳還通過與PCB的連接傳導散熱。所以從集成電路內部及外部的散熱特性決定我們在封裝設計時的薩斯內熱設計方案。設計方向主要是在、一定時，要降低、的熱阻值，以降低的值。因為隨著結點溫度的提高，半導體器件性能將會下降。結點溫度過高將導致芯片工作不穩(wěn)定，系統(tǒng)死機，最終芯片燒毀。所以每種集成電路一般都會給出的值，以提示注意使用環(huán)境。3 集成電路熱阻的測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。對熱阻的測量總的來說可分為兩種：直接法和間接法。紅外法測試就是一種直接法，它是用紅外測溫儀對準發(fā)熱芯片的表面，即可獲得、，但是為了獲得需要將電路開封，可能會損傷內引線和芯片，所以直接法比較有限。間接法(也稱電學法)的測量原理是利用溫度敏感參數(shù)作為溫度指示。通常是測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常數(shù)。對于硅器件，在絕對溫度時的值是1267mV，鍺是800mV，誤差在2%以內。而封裝廠在測試芯片熱阻時候通常采用標準芯片法，就是在芯片上做幾個電阻用來產(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。用標準芯片測量各種封裝的熱阻可得到精確的結果。但因標準芯片的制作費用昂貴，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構看散熱改善我們知道導熱系數(shù)它表征物體導熱能力的大小，單位為。導熱系數(shù)是反映材料的導熱性能的重要參數(shù)之一，導熱系數(shù)越大則熱阻越小，由單位可以看出是倒數(shù)關系。非晶體結構、密度較低的材料，導熱系數(shù)較小。材料的含水率、溫度較低時，導熱系數(shù)較小。長期研究表明，常溫時各種不同材料的導熱系數(shù)的變化范圍很大。不同的物質導熱系數(shù)的數(shù)值

9、不同，一般情況是固體的導熱系數(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。對各種材料導熱系數(shù)的數(shù)值，除因其種類的不同而不同外，導熱系數(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：導熱系數(shù)隨溫度上升而增大。金屬導體：導熱系數(shù)隨溫度上升而減小。純金屬的導熱系數(shù)值大于合金，且合金中雜質含量越多，導熱系數(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體的傳熱面積，縮短芯片發(fā)熱結點對外熱傳導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)應用。根據(jù)熱傳導的定律，在材質固定的前提下，傳導能力

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，更合理的封裝結構被研發(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響應位置再增加金屬面，則PCB對電路的散熱能力達到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У木嚯x縮短及傳遞介質的改善，封裝熱阻大大得到改善。有公式可知，在、不變的情況下，我們要降低單路結點溫度的值，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內部結構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系，如圖5、圖6所示。所以改善電路的散熱效果，我們在設計框架時，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引起材料的浪費，所以現(xiàn)在很少用這種方法?？蚣懿牧系臒醾鲗?，同樣會影響整個電路的散熱特性，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)對電路可靠性影響，也要兼顧材料熱傳導率。引腳與底板間的距

12、離對電路熱阻的影響，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，因為環(huán)氧樹脂中高分子材料的導熱性很低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。采用模型進行理論計算的結果表明，該體系導熱性能的提高與填料之間熱傳導網(wǎng)絡的形成有關。由物質的導熱性可知，要改善集成電路的熱特性，還可以從控制注塑時的氣孔及芯片與引線架底板粘結時銀膠的氣泡數(shù)量等方面考慮，同時用高導熱的導電膠等，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 結論通過分析集成電路熱阻的相關因素后，給出了集成電路熱阻的定義及應用方式，以便在進行集成電路的封裝設計時，對其中熱阻形式的各個因素加以嚴格控制改善。從封裝材料、封裝形式、封裝過程質量諸多因素中去優(yōu)選出最佳方案，針對不同的封裝形式來設計出最符合成本及功能的散熱方式。