集成电路封装与测试技术 课件 第4章-热管理技术

半导体物理第4章封装热管理技术4.1不同封装层级的热管理现状4.2热管理基础知识4.3热管理电子封装材料4.4电子设备的冷却方法4.1.1封装层级1.层级划分芯片级：关注半导体器件和芯片封装内的散热。挑战：高热流密度，微型化。板卡级：通过PCB或封装将热量传递至机箱。手段：热通孔、金属基板、铜/铝散热器。系统级：利用热交换器（风扇、液冷）将热量散发至环境。芯片级板卡级系统级4.1.2芯片级封装热管理1.微型热管理理念点冷却：针对芯片上的高热流区域进行定点冷却，降低关键结温。微观传热优化：通过微结构提升宏观散热性能。集成化：采用与半导体制造兼容的工艺。2.关键技术微通道散热：利用微管(0.5~410μm)增加表面积。微型毛细结构：直径2.5μm，冷却能力达100W/cm²。微通道详细结构微通道热管理结构案例3.微型热管理理念纳米材料增强：纳米金刚石薄膜(k=2000W/m·K)碳纳米管(CNT,k>5000W/m·K)微冷冻机：薄膜热电冷却器(TEC)、微型斯特林循环冰箱，用于产生低于环境的温度。4.无引线框架散热技术在没有引线框架的情况下，通过以下结构优化：使用多层布线金属基板，中间设置空腔。利用金属盲孔连接导线，垂直导热。散热片通过粘片胶直接接触芯片底面。使用散热锡球和信道，减少热阻。4.1.3板卡级封装热管理1.热仿真与PCB设计早期介入：系统架构阶段即引入热模拟，使用CFD预测气流和温度识别热点：优化布局，避免后期高成本修改。2.PCB优化策略增加铜层：利用铜作为优良导体（电+热）分散热量。散热孔：使用通孔、盲孔或埋孔垂直导热。材料选择：采用绝缘金属基板或其他高导热材料音频粉末放大器印刷电路板的热仿真示例4.1不同封装层级的热管理现状4.2热管理基础知识4.3热管理电子封装材料4.4电子设备的冷却方法4.2.1传热模式1.三种基本传热模式热传导(Conduction)：介质内存在温度梯度时发生。微观粒子碰撞传递能量。对流换热(Convection)：流体流过固体表面带走热量。包括流体宏观运动和微观导热。热辐射(Radiation)：物体以电磁波形式发射能量。无需介质，真空中亦可进行。三种基本传热模式4.2.2

热传导1.傅里叶定律qk：热传导速率(W)。k：导热系数(W/m·K)，材料固有物理属性。A：垂直于热流方向的截面积。负号：表示热量必须由高温流向低温（热力学第二定律）。qk=-kAdTdx

不同热流方向的热传导热流方向热流方向2.平壁导热热阻(Rk)：Rk=L/Ak(K/W)。电热类比：热流qk↔电流I温差ΔT↔电压差ΔE热阻Rk↔电阻R对于厚度为L的平壁，傅里叶定律：

热路与电路对照图3.导热系数βk>0：导热系数随温度升高而增大。βk<0：导热系数随温度升高而减小。工程计算中通常使用平均温度下的导热系数kav。

导热系数随温度变化三种情况示意图4.2.3对流换热1.牛顿冷却公式hc：对流换热系数(W/m²·K)Rc：对流热阻(K/W)物理机制：界面处流速为零，热量靠传导传递。流体内部靠宏观运动带走热量。

对流换热中界面处速度曲线与温度曲线图2.自然对流特点驱动力：密度梯度（由温差引起）+重力场（浮力）。速度分布：与强制对流不同，速度随离表面距离先增大后减小（如图）。影响因素：温差、流体热膨胀系数、重力加速度。自然对流中界面处速度曲线与温度曲线图4.2.4

辐射换热1.史蒂芬-玻尔兹曼定律任何温度>0K的物体都会发射辐射。σ：史蒂芬-玻尔兹曼常数(5.67×10⁻⁸)。ε：发射率(0~1)，黑体为1，灰体<1。T：绝对温度(K)。辐射换热是非线性的，其“热阻”随温度变化。

黑体热辐射示意图4.2.5

联合传热1.热阻网络分析串联：并联：

串联和并联热路图2.接触热阻两个固体表面物理接触时，实际接触仅发生在微观粗糙峰点，大部分间隙充满空气。空气导热差：k≈0.023W/m·K，导致巨大热阻。解决：必须使用热界面材料(TIM)填充空隙，排出空气。

接触热阻物理示意图和温度变化示意图3.对流和导热串联热流体->壁面->冷流体。R1,R3：两侧对流热阻。R2：壁面导热热阻。利用此公式可计算中间壁面的未知温度。

联合传热热力循环示意图4.1不同封装层级的热管理现状4.2热管理基础知识4.3热管理电子封装材料4.4电子设备的冷却方法4.3.1热管理电子封装材料1.关键材料功能分类热界面材料(TIM)：位于散热路径的接触面上，填充微空隙，建立有效传热路径。散热基板：提供机械支撑，电连接，及主要散热通道。塑封材料(EMC)：保护芯片免受物理化学侵害，提供绝缘和辅助散热。电子封装结构示意图4.3.2热界面材料(TIM)1.作用原理填充粗糙表面间的微空隙，替代导热极差的空气。热界面材料TIM1：芯片与封装盖之间。要求高性能、匹配CTE、绝缘。TIM2：封装盖与散热器之间。需填充大面积不平整。类型：导热硅脂、相变材料(PCM)、导热垫片、导热胶。填料：银、石墨烯、氮化硼、氧化铝。2.分类与应用热界面材料在封装热管理中的应用1.金属基板(IMS)结构：金属底层+绝缘层+铜箔。优势：导热性远优于有机基板(FR4)，常用于功率器件。2.环氧模塑料(EMC)组分：环氧树脂+固化剂+硅粉填料。要求：低CTE、耐高温、高导热、成型性好。金属基底结构

环氧模塑料成型后的结构4.3.3散热基板3.金属及复合材料性能表4.陶瓷材料性能表1.聚合物基复合材料特点：成本低、重量轻、绝缘好、易加工。缺点：本征导热率低(0.2W/m·K)。改性：添加高导热填料(Al2O3,AlN,BN,石墨烯,CNT)。2.碳-碳复合材料简介：以碳纤维或石墨为增强体，碳为基体。特性：低密度、极高导热(金刚石2000W/m·K)、耐高温冲击。应用：航空航天、高端电子散热。4.3.4塑封材料4.1不同封装层级的热管理现状4.2热管理基础知识4.3热管理电子封装材料4.4电子设备的冷却方法1.基本原理原理：利用高压喷嘴将冷却液雾化成微小液滴，直接撞击受热表面。相变优势：利用液滴蒸发潜热，散热能力极强。消除热点：适用于大功率器件局部热点冷却。2.冷却过程单相区->两相区(核态沸腾)->临界热流密度(CHF)。4.4.1直接冷却：喷雾冷却典型喷雾冷却曲线3.关键影响因素喷嘴孔径：孔径越大，传热性能通常越好液滴特性：液滴速度降低但分布更均匀有利于换热。表面特性：表面润湿性、粗糙度及微观结构显著影响沸腾传热。利用PIV技术可观测不同孔径下的流场分布。（a-b）1.2mm喷嘴孔径时，用高速摄像机和PIV拍摄的喷雾冷却过程和液滴速度；（c-d）1.5mm；（e-f）2.0mm4.4.2

直接冷却：射流冲击与浸没冷却1.射流冲击(JetImpingement)高速流体柱直接冲击热源表面，破坏热边界层。无雾化过程，结构相对简单。滞止区换热最强，向外衰减。可结合微鳍片表面增强换热。2.浸没式冷却(Immersion)电子器件直接浸泡在导热绝缘液体（如氟化液）中。适用于数据中心，消除接触热阻。单相或两相（沸腾）。挑战：冷却液兼容性、密封性。4.4.3直接冷却：电润湿利用电场控制液滴在固体表面的接触角和润湿性。主动寻热：驱动微液滴主动向“热点”移动。优势：无需机械泵，动态冷却，改善沸腾传热。可结合纳米流体或液态金属使用。（a）电润湿原理示意图；（b）电润湿对润湿状态的影响（左：Cassie状态，右：Wenzel状态)；（c）基于电润湿使液滴向热点移动；（d）电润湿改善沸腾传热1.关键因素4.4.4

间接冷却：微通道1.微通道散热器1981年由Tuckerman和Pease提出。在硅或金属基底上加工微米级(10~200μm)通道。散热能力：>1000W/cm²。原理：极大的表面积体积比，高换热系数。挑战：压降大，需高泵送功率；通道易堵塞。微通道散热例（a）微通道结构细节；（b）微通道流动可视化；（c）散热器背面；（d）红外温度图2.结构优化与强化流动布置：平行流、对流、多层堆叠微结构：内部增加肋、凹槽、涡发生器、金属泡沫。目的：破坏边界层，增强流体扰动。工质：纳米流体、液态金属。微通道中常用的强化传热微结构。(a)凹陷；(b)钉状鳍；(c)肋；(d)沟槽；(e)腔体；(f)涡流发生器；(g)断续壁；(h)金属泡沫。4.4.5间接冷却：热管(HeatPipe)1.工作原理利用工质在真空管内的蒸发-冷凝循环，实现超高导热（等效导热系数远超金属）。热管的基本结构和工作原理管壳：密封容器。吸液芯：提供毛细力，驱动工质回流（烧结粉末、丝网、沟槽）。工质：水、甲醇、丙酮等。2.核心结构3.性能优化单一结构难以同时满足高渗透率（回流快）和高毛细力（抽吸强）。复合芯结构（a）泡沫铜的SEM照片；（b）网格局部；（c）UTHP的放大视图；（d）UTHP横切面图复合结构：泡沫铜+丝网，或烧结粉末+沟槽。表面改性：纳米涂层增强润湿性，提高极限功率。4.4.6

间接冷却：均热板(VaporChamber)1.二维热扩散类似于“扁平热管”，但在二维平面上扩散热量。蒸汽室示意图应用：将高热流密度点热源均匀扩散到大面积散热鳍片。结构特点：内部有支撑柱防止真空塌陷，仿生叶脉槽芯结构。优势：相比热管，均温性更好，热阻更低。4.4.7

间接冷却：热电制冷(TEC)1.珀尔帖效应电流通过两种不同导体界面产生温差，实现主动制冷。（a）基于塞贝克效应的TE模块示意图；（b）珀尔帖效应优点：固态制冷、无振动、无噪音、控温精确、体积小。缺点：效率(COP)低，能耗高。应用：激光器控温、消除芯片局部热点。2.系统集成（a）不带TE模块的大功率LED示意图；（b）与TE模块结合使用；（c）基于Bi0.5Sb1.5Te3/环氧厚膜的柔性TE冷却装置原型散热配合：必须有效移除热端的焦耳热和泵出的热量。混合系统：TEC+液冷/微通道。自驱动：利用热电发生器(TEG)回收废热驱动TEC。柔性化：适用于可穿戴设备。4.4.8

间接冷却：相变散热器1.结构优化鳍状散热器（a-c）圆形、三角形和矩形鳍片；（d）锥