IC封装中热设计探讨

1、IC封装中的热设计探讨1摘要：简要介绍了集成电路各项热阻的含义及热阻的测试方法，并从封装材料的热传特性、电路的封装形式以及电路的内部机械参数等方面，探讨了改善集成电路热阻的方法，供从事封装热设计的工程技术人员参考。1 IC封装中的热设计研究的意义和目的当前，电子设备的主要失效形式就是热失效。随着温度的增加，电子设备的失效率呈指数增长。因为集成电路中如果产生的热量不能及时传递出去造成热积累，高温会造成电路内焊点金属间化合物(IMC)增厚加速，导致焊接点变脆，机械强度下降。结点温度的升高还会使晶体管的电流放大倍数迅速增加，导致集电极电流增加，又使结温进一步升高，最终导致元件失效。而不断增加的功率密

2、度使得封装设计中的热设计工作越来越收到重视。所以，本文以减小热失效为目的，以增加散热途径为方法，寻找高散热为导向。其实，热失效是一个正反馈的过程，只要消除正反馈的条件，就可以消除热失效。2 散热的途径2.1 传导物质本身或当物质与物质接触时，能量的传递就被称为热传导。热传导遵循傅立叶传热定律：式中：传导热量（W）;传导系数（W/m.）；传热面积(m2)；传热长度(m)；温度差()。热阻表示单位面积、单位厚度的材料阻止热量流动的能力，表示为：因此，从热阻公式我们就可以发现，热量传递的大小同热传导系数、热传热面积成正比，同距离成反比。热传递系数越高、热传递面积越大，传输的距离越短，那么热传导的能量

3、就越高，也就越容易带走热量。2.2 对流对流是指流体(气体或液体)与固体便面接触，造成流体从固体表面将热带走的热传递方式。热对流公式为：式中：传导热量；热对流系数值；传热面积；温度差；可见热对对流传递中，热量传递的数量同热对流系数、有效接触面积和温度差成正比关系；热对流系数越高、有效接触面积越大、温度差越高，所能带走的热量也就越多。2.3 辐射热辐射是一种可以在没有任何介质的情况下，不需要接触，就能够发生热交换的传递方式，也就是说，热辐射其实就是以波的形式达到交换的目的。热辐射公式的传导公式为：式中：物质表面的热辐射系数，粗糙的表面与非金属类的热辐射系数值较大；传热面积；辐射热交换的角度和表面

4、的函数关系；表面温度差。因此热辐射系数、物质表面积的大小以及温度差之间都存在正比关系。集成电路散热形式中热传导约占60%，热对流约占25%30%，热辐射只占10%15%。集成电路芯片内部所产生的热量，通过芯片与外壳底座间的焊料层（如有机或金属合金材料）传导到外壳的底座上，在由底座将热量传导到外壳其他部位或所附的散热片上，并通过它们将热量散发到周围介质中去，因此，热传导是集成电路传导的主要方式。集成电路内部的芯片表面的线路在有电流经过时，其中的高功率器件会产生热量。，芯片上产生电热量，可以通过几条途径传导出去，电路内部构造及工作温度分布曲线如图1、图2所示。根据国际半导体设备材料产业协会SEMI

5、 STDG38-0996以及国际电工委员会JEDEC JC51标准中定义的集成电路中各项热阻名称，各温度点位置如图3所示。是集成电路芯片结点处的温度，单位为。是电路使用时的环境温度，单位为。是电路表面壳体的温度，单位为。是电路的消耗功率，单位为W。功率是热量产生的直接原因。功耗大的芯片，发热量也一定大。热阻的单位为m2.K/W。是测量在大自然对流或强制对流条件下从芯片接面到大气中的热阻。由于测量时在标准规范的条件下去做，因此对于不同的基板设计以及环境条件就会有不同的结果，因此可用于比较封装散热的容易与否，用于定性的比较。是指部分的热由芯片接面传到封装上方外壳的热阻，该定义可用于师姐系统产品由I

6、C封装外表面温度预测芯片接面温度。是指在大自然对流以及风洞环境下由芯片接面传到下方测试版部分热传时所产生的热阻，可用于由板温去预测接面温度。在电路内部主要靠传导散热，而外部则由胶体而和外引脚向空中辐射散热，同时，外引脚还通过与PCB的连接传导散热。所以从集成电路内部及外部的散热特性决定我们在封装设计时的萨斯内热设计方案。设计方向主要是在、一定时，要降低、的热阻值，以降低的值。因为随着结点温度的提高，半导体器件性能将会下降。结点温度过高将导致芯片工作不稳定，系统死机，最终芯片烧毁。所以每种集成电路一般都会给出的值，以提示注意使用环境。3 集成电路热阻的测试方法集成电路在封装完成后，其热阻TJC一

7、般就固定不变了。对热阻的测量总的来说可分为两种：直接法和间接法。红外法测试就是一种直接法，它是用红外测温仪对准发热芯片的表面，即可获得、，但是为了获得需要将电路开封，可能会损伤内引线和芯片，所以直接法比较有限。间接法(也称电学法)的测量原理是利用温度敏感参数作为温度指示。通常是测量一恒定的正向小电流的晶体管发射极与基极的电压，而随温度的变化是个常数。对于硅器件，在绝对温度时的值是1267mV，锗是800mV，误差在2%以内。而封装厂在测试芯片热阻时候通常采用标准芯片法，就是在芯片上做几个电阻用来产生功耗，在芯片中央和其它的位置放置小尺寸的晶体管，通过测量晶体管的热敏参数(正向)得到芯片的温度。

8、再由公式直接算出热阻值。用标准芯片测量各种封装的热阻可得到精确的结果。但因标准芯片的制作费用昂贵，所以只能为少数厂家所接受。也有人研究得出，在封装形式、材料和工艺类似的条件下，集成电路的基本不变，所以如不是很严格的情况下，可直接参照国际大公司的热阻值来估算。3 热传递特性及封装结构看散热改善我们知道导热系数它表征物体导热能力的大小，单位为。导热系数是反映材料的导热性能的重要参数之一，导热系数越大则热阻越小，由单位可以看出是倒数关系。非晶体结构、密度较低的材料，导热系数较小。材料的含水率、温度较低时，导热系数较小。长期研究表明，常温时各种不同材料的导热系数的变化范围很大。不同的物质导热系数的数值

9、不同，一般情况是固体的导热系数最大(保温材料除外)，液体(不包含液态金属)次之，而绝热材料和气体最小。对各种材料导热系数的数值，除因其种类的不同而不同外，导热系数的数值往往随温度、压力、密度和湿度的改变而变化。固体材料：导热系数随温度上升而增大。金属导体：导热系数随温度上升而减小。纯金属的导热系数值大于合金，且合金中杂质含量越多，导热系数值越小。由以上物体传热特性，我们知道可以从增加金属导体的传热面积，缩短芯片发热结点对外热传导距离以减小热阻值加快物体间的热传递。随着我们电路的集成度的不断提高，电路功率不攒提升，新的更合理的封装形式不断被研发应用。根据热传导的定律，在材质固定的前提下，传导能力

10、与接触面积成正比，与接触距离成反比。接触面积越大，就能使热量越快地散发出去。最先被想到的就是增加金属的热传导面积，以增加电路的散热能力。而随着集成度的提高与微型化的需要，更合理的封装结构被研发出来。研究表明，表面贴装(SMD)的集成电路有70%以上的热能是依靠PCB带走的，而如果PCB响应位置再增加金属面，则PCB对电路的散热能力达到90%以上。缩短热传距离来改善散热效果如图4所示。可见热传导的距离缩短及传递介质的改善，封装热阻大大得到改善。有公式可知，在、不变的情况下，我们要降低单路结点温度的值，使它不超过电路参数表提供的最大值，就必须把热阻、的值降低。4 从IC内部结构及材料特性改善电路热

11、阻在同种封装形式下，我们可以通过改变一些引线框架的机械参数来改善电路的散热特性，减小；研究表明，散热底板暴露面积与热阻有如下关系，如图5、图6所示。所以改善电路的散热效果，我们在设计框架时，可考虑用增加框架底板的暴露面积，并使引脚尽量贴近底板，以缩短热传递距离，缩小热阻的值。研究还表明，增大底板的面积也可改善电路的散热性，减小热阻，但由于增大底板面积会引起材料的浪费，所以现在很少用这种方法。框架材料的热传导率，同样会影响整个电路的散热特性，影响电路的热阻，电路的热阻随框架的热传导率的升高而降低。所以选择的热阻随框架材料不仅要考虑热膨胀系数对电路可靠性影响，也要兼顾材料热传导率。引脚与底板间的距

12、离对电路热阻的影响，电路的热阻随引脚与底板间距离的缩小而降低。另外，有研究表明，因为环氧树脂中高分子材料的导热性很低0.15，其介电常数随体积填充量的增加亦有所增加，但仍热维持在低水平。采用模型进行理论计算的结果表明，该体系导热性能的提高与填料之间热传导网络的形成有关。由物质的导热性可知，要改善集成电路的热特性，还可以从控制注塑时的气孔及芯片与引线架底板粘结时银胶的气泡数量等方面考虑，同时用高导热的导电胶等，以降低材料各部分热阻，使集成电路的总体热阻得带改善。5 结论通过分析集成电路热阻的相关因素后，给出了集成电路热阻的定义及应用方式，以便在进行集成电路的封装设计时，对其中热阻形式的各个因素加以严格控制改善。从封装材料、封装形式、封装过程质量诸多因素中去优选出最佳方案，针对不同的封装形式来设计出最符合成本及功能的散热方式。