封装的热控制【高级课件】

1、电子封装材料 20092010学年 第二学期,封装的热控制,一、电子器件热控制的重要性 二、热控制计算基础 1、一维传导 2、固体界面的热流通 3、对流 4、整体负载的加热和冷却 、热阻 、串联的热阻 、并联的热阻 、和封装的热控制 、自然通风的印刷电路板 、单一印刷电路板 、强制对流下的印刷电路板,2,严选内容,封装的热控制,三、 电子器件冷却方法 、散热器 、热通道 、热管道冷却 、沉浸冷却 、热电制冷 、冷却方法的选择,3,严选内容,封装的热控制,四 、热机械应力对封装的影响 、芯片贴装的热机械应力 、热疲劳 、封装焊接点的热应力 、印刷电路板的热应力 、灌封树脂的热性质,4,严选内容,

2、封装的热控制 一、电子器件热控制的重要性,1、为什么要进行封装的热控制： 保障微电子器件正常工作的需要： 微电子器件总是存在电阻，工作中会发热 热量不能及时散去，器件温度将升高 影响其功能甚至损坏器件 微电子器件发展的需要： IC发展趋势为高集成度、小尺寸、高电流、微小电压降 要求封装具有良好散热性能，使器件温度稳定在可正常工作的温度之下,5,严选内容,封装的热控制 一、电子器件热控制的重要性,1、为什么要进行封装的热控制： 微电子器件封装体在短时间温度急剧升高，往往会损坏封装体： 过热使封装产生破裂、剥离、熔化、蒸发甚至会发生封装材料的燃烧 受冲击和振动的电子产品，温度波动还会导致材料疲劳断

3、裂，降低封装的机械寿命,6,严选内容,封装的热控制 一、电子器件热控制的重要性,1、为什么要进行封装的热控制： 温度升高照成封装结构破坏： 封装体由不同热膨胀系数的材料构成，生产、测试、储存和运输过程中由于热膨胀不匹配造成的热应力引起的破坏 使封装体中残余的热应力对封装结构造成破坏： 封装的制造温度往往比使用温度高，总是有一些残余的热应力存在 低温下，该应力显得更大 即使没有匹配的问题，在封装结构的温度分布不均匀时也会产生热应力,7,严选内容,封装的热控制 一、电子器件热控制的重要性,1、为什么要进行封装的热控制： 温度变化导致封装体失效的几种可能机制： 焊接键合材料的机械蠕动变形 寄生的化学

4、反应 半导体掺杂离子吸热扩散 机械支撑的热疲劳等都会由于高温而增大失效速率,8,严选内容,封装的热控制 一、电子器件热控制的重要性,2、封装热控制的温度值目标 通常电子产品的最高允许温度为 少数产品可到 可靠性要求高的产品，平均半导体结的工作温度限定在以下 一般地，微电子器件的温度不能超过 微电子器件的封装材料在高温下强度会降低 封装的塑料能承受的最高温度一般为，即塑料的变形温度 另外，高于时，锡焊接点的强度就开始降低,9,严选内容,封装的热控制 一、电子器件热控制的重要性,3、微电子器件封装的热控制要根据封装等级不同而有不同的处理，及在不同的封装水平上根据传热机理，使用不同散热技术： 第一级

5、，微电子器件的封装是芯片的封装，对芯片提供保护外壳 主要目标： 将芯片散发的热量传导到封装的表面，然后传导到印刷电路板上 降低半导体硅片和封装外表面之间的热阻，是降低芯片温度的最有效方法。 为改善芯片散热性能，可在晶片键合的黏结剂中添加钻石、银或者是其他高导热性材料 另一种方法是在芯片表面上安放金属片散热器，同时应用增强导热性能的模塑材料及封埋导热插件,10,严选内容,封装的热控制 一、电子器件热控制的重要性,3、微电子器件封装的热控制要根据封装等级不同而有不同的处理，及在不同的封装水平上根据传热机理，使用不同散热技术： 第二级封装，印刷电路板封装，它提供芯片与芯片之间的通信 第三级封装，主板

6、封装，它提供印刷电路板之间的连接 第四级封装，整个系统的整机和外壳的封装 在级和级中，常用强制热控手段，如强制通风系统、制冷系统、散热管、热交换器以及液体泵,11,严选内容,封装的热控制 一、电子器件热控制的重要性,4、其他热控制技术例举 依据技术的物理原理： 热传导 对流 辐射 相变过程 塑料DIP封装： 加入SiO2粉增加模塑材料块的导热性 用高导热的铜合金替代低导热的合金43做引线框架 引入封装内部热分散结构，如铝金属热分散结构,12,严选内容,封装的热控制 一、电子器件热控制的重要性,4、其他热控制技术例举 采用高导热的陶瓷材料做封装 高导热材料有： 氮化铝 碳化硅 氧化铍 用它们代替

7、常用的氧化铝陶瓷 降低芯片与封装表面之间的距离，缩短散热路径,13,严选内容,封装的热控制 一、电子器件热控制的重要性,4、其他热控制技术例举 用封装外部散热器来降低对流散热阻力 很普遍，制造更多的对流通风的散热表面 对流通风可以是自然空气循环，也可以在散热器上用电扇吹风 在大功率器件上，最好用直接排热管道散热 可以将器件浸在液体介质中，或通过高速吹风来冷却芯片 用埋藏散热管可大大地提高散热能力,14,严选内容,封装的热控制 一、电子器件热控制的重要性,15,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,三种传热方式： 热传导 对流 辐射,16,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,1、一

8、维热传导 在固体和静止的液体以及静态的空气媒介当中，热的传导是通过分子间的能量交换来实现的 其表达式为热传导傅里叶方程：,17,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,稳定传热长度为L的介质两端温差：,18,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,2、固体界面热流通：,19,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,3、对流 含义： 由固体向流动的流体的传热叫 包括两机制： 由临近的静止分子向固体表面的热交换，与热传导一样 由于流体流通而将热量从固体表面带走,20,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,3、对流 牛顿冷却定律 设物体表面和流体间的温度差和热流量成正比，可表示为：

9、,21,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,3、对流 热辐射 含义 由于电磁波或者光子能量的辐射与吸收的结果 可通过真空或者其他对红外光线透明的媒介传热,22,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,3、对流 热辐射 热辐射波能量（特别对于波长大于1微米）Q与发热表面和介质间的温度4次方之差成正比：,23,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,3、对流 热辐射 当温差很少时，等式可以表示为：,24,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,3、对流 热辐射 当温度差较小（10K），辐射系数近似等于自然对流传热系数,25,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,4、整体负

10、载的加热与冷却 加热（一个高导热能力的内部受热固体，如果没有外部冷却，）其升温速率：,26,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,4、整体负载的加热与冷却 冷却： 当一个固体被外部冷却，升温会以渐近线形式趋于某个值 如已知其温度传导系数，最终稳定温度可有牛顿冷却公式得到,27,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,4、整体负载的加热与冷却,28,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,4、整体负载的加热与冷却,29,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,4、整体负载的加热与冷却 冷却时，物体温度随时间变化：,30,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,4、整体负载的

11、加热与冷却 由一个对流冷却的固体向四周的热传导受到两种热阻力： 固体内部热传导阻力 外表面的对流热阻力,31,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,5、热阻 热的欧姆定律 定义热阻为,32,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,5、热阻 封装中热的欧姆定律 也用器件结温与环境温度差来表示,33,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,5、热阻 从傅立叶方程出发 一层材料的传导热阻为,34,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,6、串联热阻 具有电阻串联的形式 其热流表达式根据传热方式不同而不同 如：,35,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,将代入温差等式中，就很

12、容易得到温度,36,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,7、并联热阻 具有电阻并联的形式,温度和环境温度之间的总热阻可以写为,37,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,8、IC和印刷板封装的热控制 以一个实例说明，如图为贴装在主板上的带有散热器的芯片塑料封装结构示意图,38,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,8、IC和印刷板封装的热控制 实例说明 下图为该带有散热器的芯片塑料封装的散热示意图,39,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,8、IC和印刷板封装的热控制 实例说明 由一层材料的传导热阻表达式,从芯片界面开始依次计算出各层热阻 然后使用串联方式，计算出芯

13、片上下两侧的热阻 在用并联方式计算出总热阻 最后通过 计算出芯片温度,40,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,9、自然通风的印刷板 自然通风原理： 热空气上升，冷空气下降 热传导与通道关系： 一方面热传导与通道宽度有关 另一方面相对细长的通道，流体速度最高，热传导速率最大,41,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,9、自然通风的印刷板,42,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,10、单一印刷电路板 在中等温度情况下，对于垂直的等温表面，自然对流热传导系数可以用温度差的函数表示 对于表面热流均匀的平面，自然对流传热系数可以用热通量函数表示,43,严选内容,封装的热控制

14、二、热控制计算基础,11、 强制对流下的印刷电路板 在两个热的平行板间的冷流体的流动，会导致沿着板表面的流体动力和温度边界层的形成 在边界层流体区域中，自由气流的速度和温度转变成墙壁的速度和温度，流体在墙壁的速度为零，其温度等于墙壁的温度 在离通道进口足够远的地方，通道墙上形成的边界层逐渐消失，变成完全的对流传热。一般发生层流，很少出现混合与涡流的现象,44,严选内容,封装的热控制 二、热控制计算基础,11、强制对流下的印刷电路板 当强制的层流在一个长且狭窄的平行板间流动，传热系数达到最大值：,45,严选内容,封装的热控制 三、电子器件冷却方法,1、散热器 原理： 热阻与传热系数和传热表面积成

15、反比 热传导定律： 热流从高温向低温传导,46,严选内容,封装的热控制 三、电子器件冷却方法,1、散热器 散热器总传热,47,严选内容,封装的热控制,1、散热器 散热器特点 表面积大 基本为矩形，基底部分厚度大于尾部厚度 形状有片状，有针状 散热片间距越来越小，铝薄片整体弯曲后焊接，降低键合热阻,48,严选内容,封装的热控制 三、电子器件冷却方法,2、热通道 埋藏在电路板中金属传热通道将降低热流阻,其中，km、k1为金属与绝缘体的热导率， am为通道金属截面积所占总面积的比例,49,严选内容,封装的热控制 三、电子器件冷却方法,2、热通道 增加电路板导热的一个有效方法： 引入厚的铜金属层，可以

16、 降低PWB板内热阻 有利于将热传输到PWB板边缘,50,严选内容,51,严选内容,封装的热控制 三、电子器件冷却方法,3、热管道冷却 含义： 是一种长距离传导大热量的导热器件 利用相变及蒸发扩散过程来传导热量 用在没有运动部件及恒定温度的地方,52,严选内容,封装的热控制 三、电子器件冷却方法,3、热管道冷却 热管构成，三个部分： 蒸发：在这里吸收热量同时流体蒸发； 冷凝：在这里蒸气冷凝同时排出热量 绝热：这一段气相和液相在中心和虹吸绳芯中流动来完成循环，它与周围介质有明显的热交换,53,严选内容,封装的热控制 三、电子器件冷却方法,3、热管道冷却 热管可以提供一个热阻非常低的路径 一个铜管

17、热导率400W/（m.K） 加入水流体热导率高达100000W/（m.K） 是普通铜管的250倍 以水为流体，直径0.6cm长15cm的水平循环热管可以传导热量300W 而蒸发端到冷凝端只有23的温差,54,严选内容,封装的热控制 三、电子器件冷却方法,3、热管道冷却 热管的工作部分由蒸汽作为介质，重量很轻，大约几克 但电子元件和热管间的界面热阻将是阻碍热管工作效率的关键 发展和制造可靠的热管非常重要 热管多为柱状，也可做成圆角形，S型，螺旋形，甚至做成接近3毫米的薄平板结构，直接放在PWB背后,55,严选内容,封装的热控制 三、电子器件冷却方法,4、沉浸冷却 原理： 通过直接将电子元器件沉浸

18、在低沸点的介质液体中，达到控制电子器件工作温度的目的 冷却介质在回路中流动，蒸发后冷凝并返回系统,56,严选内容,57,严选内容,封装的热控制 三、电子器件冷却方法,4、热电制冷 原理： 热电制冷TEC是一个固态热泵 如有电势加在两个半导体结上 热量会被一个结吸收而从另一个结放出 热量与电流大小成正比。,58,严选内容,封装的热控制 三、电子器件冷却方法,4、热电制冷 原理： Pelter效应：,当电子从P-N结的P型半导体转移到N型半导体，其能量态将会升高 因而吸收热量，导致周围温度降低 当电子移到N边时，释放出热量,59,严选内容,封装的热控制 三、电子器件冷却方法,4、热电制冷 Peit

19、er效应应用：半导体制冷片,60,严选内容,封装的热控制 三、电子器件冷却方法,5、冷却方法之选择 冷却的必要性 电阻的存在使得器件温度上升 一旦超过使用温度，半导体结功能将恶化，甚至击穿烧毁 另外过热将使得封装破裂，熔化甚至燃烧,61,严选内容,封装的热控制 三、电子器件冷却方法,5、冷却方法之选择 封装热设计考虑： 改善芯片导热性 提供PN结到芯片外的热通道 增加芯片贴装到基板的导热性 改善封装的热分布 减少芯片封装到基板的热阻 提高器件散热能力,62,严选内容,封装的热控制 三、电子器件冷却方法,5、冷却方法之选择 冷却的过程： 器件在使用过程中产生的热转移到周围环境 热量通过 传导 对

20、流 辐射 相变过程 从器件传输到外界环境。,63,严选内容,封装的热控制 三、电子器件冷却方法,5、冷却方法之选择 冷却的途径： 风/液体 自然空气冷却、自然通风冷却 强制通风冷却、液体冷却等 选用合理的材料结合 选用合理材料结合，使材料结合有合理传热机制，使器件被控制在工作温度内,64,严选内容,封装的热控制 四、热机械应力对封装的影响,热应力的起源： 封装材料的热弹性变形引起的热应力 较大的温度不均匀引起的热应力 热冲击或热应力松弛引起 热应力可能导致封装机械失效 封装机械失效含义： 任何尺寸、形状、材料性质或结构的整体性方面的机械性损坏而导致的结构功能丧失,65,严选内容,封装的热控制

21、四、热机械应力对封装的影响,机械损坏表现为： 晶体管PN结损坏 晶体管结反向电压升高引起散发功率增大、热量积聚 积聚热量不能散发掉，高温雪崩现象增大，引起结处产生热应力，热应力导致晶体管结击穿失效 过大的弹性、塑性或脆性变形损坏 疲劳损坏、蠕变损坏 热松弛损坏、热冲击损坏,66,严选内容,封装的热控制 四、热机械应力对封装的影响,1、芯片贴装的热机械应力 来源： 芯片与基板之间CTE不匹配 导致贴装处的热应力 甚至引起芯片断裂 破裂位置： 一般发生在大芯片角落上 芯片贴装处的空洞是造成芯片应力的主要原因 在空洞边缘处，芯片受到张应力，从而垂直断裂,67,严选内容,封装的热控制 四、热机械应力对

22、封装的影响,1、芯片贴装的热机械应力 焊接导致断裂： 软粘接剂（铅锡、有机树脂）贴片 焊剂本身强度低而断裂 硬焊接剂（金硅共溶体、玻璃焊接）贴片 热应力会传到芯片上从而使其断裂,68,严选内容,封装的热控制 四、热机械应力对封装的影响,1、芯片贴装的热机械应力 减少贴装粘胶处热应力措施： 使粘胶的弯曲硬度与粘接面的弯曲硬度一致，尽量使用同一种胶 粘贴面材料硬度越高越好 用弹性模量小的粘胶剂会缓解热应力 保持热应力在粘胶剂的弹性范围内，避免撕扯应力,69,严选内容,封装的热控制 四、热机械应力对封装的影响,2、热疲劳 含义 温度波动引起负载反复循环，导致材料疲劳，在热循环的低温阶段将发生脆性疲劳断裂 热疲劳与封装 多种材料组成的封装体 经受反复热循环时，发生热胀冷缩，产生热应力 如CTE不匹配，将引起反复叠加逆向负载，使封装失效,70,严选内容,封装的热控制 四、热机械应力对封装的影响,3、封装焊接点的热应力 产生原因 焊接件间热膨胀系数不匹配，元件通电并产生热量时，焊接点就会产生剪切应力 高温及反复的温度变化引起焊接点的应力和热疲劳,71,严选内容,封装的热控制 四、热机械应力对封装的影响,3、封装焊接点的热应力 引线焊接键合的热应力 两种引线焊接方式： 热压引线焊接 超声波引线键合 两种方式，都存在CTE不匹配，产生热应力，严重时导致脱焊，出现引