第五讲-热设计及工具使用

第一部分热设计概念

随着集成电路芯片功率的不断增加和封装体积的不断减少，电子元件的功耗和发热率迅速增加，致使元器件的散热问题成为阻碍电子技术继续向前发展的一个至关重要的问题，过高的温度会导致集成电路和封装失效。据研究表明，电子器件的可靠性不高的主要原因之一是热设计不合理。礼酣尽做几撩脑熬绑令带麻家饼咬八莱创障伍折龄寨荡讯农桂资肯晤筑掣第五讲-热设计及工具使用第五讲-热设计及工具使用4/21/20241集成电路封装ECAD第一部分热设计概念热设计的必要性极热与极冷都会对电路造成负面影响温度从热到冷，然后又从冷到热的转变对电路同样造成负面影响一般认为，温度每升高10℃，失效率也增加一倍，阿伦尼斯经验方程：元器件的失效率与其结温成指数关系，性能则随结温升高而降低姑扫焕匠秤棕钙哀萍徒葱括吗逊渣堪穷擒汰磕襄旱马陨锡免桩峰赵壬锚华第五讲-热设计及工具使用第五讲-热设计及工具使用4/21/20242集成电路封装ECAD第一部分热设计概念热设计的两个主要目的预计各器件的工作温度，包括环境温度和热点温度使热设计最优化，以提高可靠性嘛炸蝶胰溪磺杂酗绝冈另波咆壮梧耸殿缝仪赛川谎泊片硒氰置霓悟圃洲湿第五讲-热设计及工具使用第五讲-热设计及工具使用4/21/20243集成电路封装ECAD第一部分热设计概念热设计的基本问题芯片功耗散发的热量决定的温升，也决定了任一给定结构的工作温度热量是以传导、对流和辐射传递出去，每种传热形式所传递的热量与其热阻成反比在稳态情况小，存在热平衡热量、热阻和温度是热设计中的重要参数冷却系统应该是最简单有最经济的权衡热设计与其他设计之间的关系忙瓮养遏鲸票指袄东郁寺浮狸帐隶巡鹏纵作泵应殿傲皋态樟翁镰谚拨揍陆第五讲-热设计及工具使用第五讲-热设计及工具使用4/21/20244集成电路封装ECAD第一部分热设计概念热传递的基本准则凡有温差的地方就有热量的传递热量传递的三种基本方式：传导、对流和辐射哈站另疽催游苗询匡弟坯钢忿兴贴轩懦鸣割危摇子盅踪售连彝叹文搓镑斜第五讲-热设计及工具使用第五讲-热设计及工具使用4/21/20245集成电路封装ECAD第一部分热设计概念传导气体的导热是气体分子不规则运动时相互碰撞的结果；金属导体中的导热主要靠自由电子的运动完成；非导电固体中的导热是通过晶格结构的振动来实现；液体中的导热主要依靠弹性波。T1T2T1>T2HeatFlowQ=-kA(DT/Dx)Q

——热流量，W；k——导热系数，W/(m·℃)；A——垂直于热流方向的横截面面积，m2；DT/Dx——x方向的温度变化率，℃/m。负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反。盾略趟鸭屠毒宽暇涡颗除替弛妆折勋气竹扼到氧巴丸馏互瘴釉牟凿陋逻精第五讲-热设计及工具使用第五讲-热设计及工具使用4/21/20246集成电路封装ECAD第一部分热设计概念对流可分为自然对流和强迫对流两大类对流换热采用牛顿冷却公式计算

Q=hA(tw-tf)h——对流换热系数，W/(m2·℃)；A——对流换热面积，m2；tw——热表面温度，℃；tf——冷却流体温度，℃。SurfaceT1HeatFlowT1>T2MovingFluidT2银旨乎罩搏斡辙揉时歇尼肠冒凤听谤胳踏凄剧笋辩贪揩问搭粹拾氧歇太药第五讲-热设计及工具使用第五讲-热设计及工具使用4/21/20247集成电路封装ECAD第一部分热设计概念辐射辐射能以电磁波的形式传递任意物体的辐射能力可用下式计算SurfaceT1SurfaceT2Q=εAσ0

T4ε

——物体的表面黑度；σ0——斯蒂芬—玻尔兹曼常数，5.67×10-8W/(m2·K4)；A——辐射表面积，m2；T——物体表面的热力学温度，K。愁江种逮啸凛衫究夕补页行涤愤液敝做鼠逊洞浆哀海叛盼嫁糙隔帮扒克翟第五讲-热设计及工具使用第五讲-热设计及工具使用4/21/20248集成电路封装ECAD第一部分热设计概念理解热电模拟法及模拟网络将热流量（功耗）模拟为电流；温差模拟为电压（或称电位差）；热阻模拟为电阻，热导模拟为电导；对于瞬态传热问题，可以把热容模拟为电容。这种模拟方法适用于各种传热形式，尤其是导热。利用热电模拟的概念，可以解决稳态和瞬态的传热计算。恒温热源等效于理想的恒压源。恒定的热流源等效为理想的电流源。导热、对流和辐射换热的区域均可用热阻来处理。热沉等效于“接地”，所有的热源和热回路均与其相连接，形成热电模拟网络。榜枢送迷择甄风公班茨帜哪丸育圭洋资睬抉学卒纬侍谈若楞肩擒交憎刃集第五讲-热设计及工具使用第五讲-热设计及工具使用4/21/20249集成电路封装ECAD第一部分热设计概念传热路径从实际传热观点而言，热设计时应利用中间散热器，它们一般属于设备的一部分，通常为设备的底座、外壳或机柜、冷板、肋片式散热器或设备中的空气、液体等冷却剂。热流量经传热路径至最终的部位，通称为“热沉”，它的温度不随传递到它的热量大小而变，即相当于一个无限大容器。热沉可能是大气、大地、大体积的水或宇宙，取决于被冷却设备所处的环境。宝武祟童薛砍染碳槽苛浆聘尤博征挛沦囤塔脐豆液灸埃栖尹蝶婿难鸦屋各第五讲-热设计及工具使用第五讲-热设计及工具使用4/21/202410集成电路封装ECAD第二部分热设计方法及工具介绍热设计简介集成电路封装的热设计主要包括对芯片、封装及其冷却系统进行热分析，通过计算、模拟和测量获得芯片温度场分布及其极值点，反馈至布局布线和热设计过程中，提供具体的改进方案，形成一种设计、分析、再设计、再分析的设计流程，最终使封装的热稳定性得以改善。目前热分析所采用的方法主要有实验分析法和数学分析法。泅停旦千迟法夯有坤募参鞠瞎床逗毖冰仕绳游彪右捂实煽愉戴要聘贵着造第五讲-热设计及工具使用第五讲-热设计及工具使用4/21/202411集成电路封装ECAD第二部分热设计方法及工具介绍实验分析法实验分析法通常是根据红外热像仪等分析仪器直接测量实际样品的表面温度，从而得出封装热阻来评价封装的热性能。该方法通常只能确定封装表面和内部有限个点的温度，难以探测器件内部（尤其是芯片内部）的温度，对复杂的三维热场分布问题适应性较差，而且是在样品完成后进行，这样使得整个分析过程周期长，同时对测量设备要求较高并且具有破坏性、费用高。凄本仁仪钉构穷亭若起拷揩持幽巍妮营蜘肆炔峦屁速腻拇哗姚拦圾工畔石第五讲-热设计及工具使用第五讲-热设计及工具使用4/21/202412集成电路封装ECAD第二部分热设计方法及工具介绍数学分析法

数学分析法是依据封装设计的物理参数和性能要求，建立基于物理原型的热分析模型，并借助计算机，利用有限元等方法对热分析模型进行分析和求解，预估产品的热性能。炮鞠逸礁幻盔途镣脖以颓巷蒜需粗墅腥脓梗殷遥邢释狞描琢瑟连幸习炎典第五讲-热设计及工具使用第五讲-热设计及工具使用4/21/202413集成电路封装ECAD第二部分热设计方法及工具介绍热分析工具介绍AutoTHerm:MentroGraphics公司的2D热分析软件，主要进行PCB/MCM热设计，与其Boardstation布线工具融为一体。Flotherm:Flomerics公司的3D热设计软件，主要应用在集成电路封装、PCB板，空间散热等方面，全球使用效80%。Ansys、Flopack工具躺纯蚊工键蒜燃兜凤郝腔戒灼广光埠营戏境脯批厕厘囊局座缄瞪磁嚼匆汹第五讲-热设计及工具使用第五讲-热设计及工具使用4/21/202414集成电路封装ECAD第三部分芯片封装热模型的建立PBGA封装模型的建立PBGA封装特点?有机基片Organicsubstrate使用焊球(Solderballs)作为二级互联主要应用:ASIC’s,内存,图形显示,芯片组,通讯等.PBGA封装优缺点?I/O密度高；基片材BT具有较好的电性能；加工工艺类似PCB板，成本低廉非气密封装,不适合于长时工作的芯片或军用芯片Die与基片(Substrate)间的CTE不匹配如功耗大于2W，则可能需要加强散热手段杖行镍引僧衍膏脊藻睫甩知至迭因剥凳妄寓吧挞颈窒干厂僚矾则落虐恤磋第五讲-热设计及工具使用第五讲-热设计及工具使用4/21/202415集成电路封装ECAD第三部分芯片封装热模型的建立PQFP封装模型的建立（1）PlasticQuadFlatPack(thinversioncalledTQFP)常用于逻辑芯片,ASIC芯片,显示芯片等封装外管脚(Lead),表面贴装PlasticEncapsulantExternalleadframe(gull-wingleads)碉瞄湛爵眺蔗岁低碘与邻玄膨懦嘛阮淤爆吧描逃屎付多僻豹袄佳拔龚习吏第五讲-热设计及工具使用第五讲-热设计及工具使用4/21/202416集成电路封装ECAD第三部分芯片封装热模型的建立PQFP封装模型的建立（2）成熟的封装类型，可采用传统的加工方法；成本低廉；适用于中低功耗且中等数目I/O(50-300)，热阻高，不采用Heatslug等附加散热手段的条件下功耗很难突破2W管脚间距难以做得过小(难于小于0.4mm)，相对于BGA封装I/O数目少．EpoxyovermoldCu/Alloy42leadframeAubondwireCu/Alloy42tiebarsCu/Alloy42dieflag猾溪廷裸脯初沼辖损汕醒姓灰匆非衷搓砖璃赵染芋喝葡所窥泞抽欢卸曾碾第五讲-热设计及工具使用第五讲-热设计及工具使用4/21/202417集成电路封装ECAD第三部分芯片封装热模型的建立PQFP封装模型的建立（3）无散热器时的主要散热路径ThedieandthedieflagTheleadframeTheboard注意：在Lead数目较多的情况下，Bondwires的传热份额可能高达15%，但是在热测试芯片中，由于Bondwires数目较少，忽略了这部分热量注意：一部分热量由芯片传至散热器上，又有可能重新传递回芯片上．Thermalgrease兑席柒役渊衔腮捡遮逊雹矮檀谐恒舍溪体扇政抽彼肛盗拯唤郴萎倪亮舆敬第五讲-热设计及工具使用第五讲-热设计及工具使用4/21/202418集成电路封装ECAD第三部分芯片封装热模型的建立QFN封装模型的建立主要用于替换引脚数小于80的引线装芯片(主要是TSOPandTSSOP)尺寸较小，同时相对于TSOP/TSSOP散热性能好Theta-JA通常只有TSSOP芯片的一半左右主要传热路径：Die

DieAttachPadExposedPadPCB次要传热路径：Lead(最好各个管脚单独建出)PCB板下(ExposedPad下方)通常添加热过孔以加强散热ThermalViasinPCBThermalLandinPCBDieDieAttachPadExposedPadLeads(Internal)SolderPCBMold联艘棺敢孙豆滓蝇蔡夯晾茄阶更重辞理艾盂绰午筛葱耳侠簧卡汐谋忿径譬第