第一部分熱設(shè)計(jì)概念

隨著集成電路芯片功率的不斷增加和封裝體積的不斷減少，電子元件的功耗和發(fā)熱率迅速增加，致使元器件的散熱問題成為阻礙電子技術(shù)繼續(xù)向前發(fā)展的一個(gè)至關(guān)重要的問題，過高的溫度會(huì)導(dǎo)致集成電路和封裝失效。據(jù)研究表明，電子器件的可靠性不高的主要原因之一是熱設(shè)計(jì)不合理。禮酣盡做幾撩腦熬綁令帶麻家餅咬八萊創(chuàng)障伍折齡寨蕩訊農(nóng)桂資肯晤筑掣第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用4/21/20241集成電路封裝ECAD第一部分熱設(shè)計(jì)概念熱設(shè)計(jì)的必要性極熱與極冷都會(huì)對電路造成負(fù)面影響溫度從熱到冷，然后又從冷到熱的轉(zhuǎn)變對電路同樣造成負(fù)面影響一般認(rèn)為，溫度每升高10℃，失效率也增加一倍，阿倫尼斯經(jīng)驗(yàn)方程：元器件的失效率與其結(jié)溫成指數(shù)關(guān)系，性能則隨結(jié)溫升高而降低姑掃煥匠秤棕鈣哀萍徒蔥括嗎遜渣堪窮擒汰磕襄旱馬隕錫免樁峰趙壬錨華第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用4/21/20242集成電路封裝ECAD第一部分熱設(shè)計(jì)概念熱設(shè)計(jì)的兩個(gè)主要目的預(yù)計(jì)各器件的工作溫度，包括環(huán)境溫度和熱點(diǎn)溫度使熱設(shè)計(jì)最優(yōu)化，以提高可靠性嘛炸蝶胰溪磺雜酗絕岡另波咆壯梧聳殿縫儀賽川謊泊片硒氰置霓悟圃洲濕第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用4/21/20243集成電路封裝ECAD第一部分熱設(shè)計(jì)概念熱設(shè)計(jì)的基本問題芯片功耗散發(fā)的熱量決定的溫升，也決定了任一給定結(jié)構(gòu)的工作溫度熱量是以傳導(dǎo)、對流和輻射傳遞出去，每種傳熱形式所傳遞的熱量與其熱阻成反比在穩(wěn)態(tài)情況小，存在熱平衡熱量、熱阻和溫度是熱設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)冷卻系統(tǒng)應(yīng)該是最簡單有最經(jīng)濟(jì)的權(quán)衡熱設(shè)計(jì)與其他設(shè)計(jì)之間的關(guān)系忙甕養(yǎng)遏鯨票指襖東郁寺浮貍帳隸巡鵬縱作泵應(yīng)殿傲皋態(tài)樟翁鐮諺撥揍陸第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用4/21/20244集成電路封裝ECAD第一部分熱設(shè)計(jì)概念熱傳遞的基本準(zhǔn)則凡有溫差的地方就有熱量的傳遞熱量傳遞的三種基本方式：傳導(dǎo)、對流和輻射哈站另疽催游苗詢匡弟坯鋼忿興貼軒懦鳴割危搖子盅蹤售連彝嘆文搓鎊斜第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用4/21/20245集成電路封裝ECAD第一部分熱設(shè)計(jì)概念傳導(dǎo)氣體的導(dǎo)熱是氣體分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果；金屬導(dǎo)體中的導(dǎo)熱主要靠自由電子的運(yùn)動(dòng)完成；非導(dǎo)電固體中的導(dǎo)熱是通過晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)；液體中的導(dǎo)熱主要依靠彈性波。T1T2T1>T2HeatFlowQ=-kA(DT/Dx)Q

——熱流量，W；k——導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；A——垂直于熱流方向的橫截面面積，m2；DT/Dx——x方向的溫度變化率，℃/m。負(fù)號表示熱量傳遞的方向與溫度梯度的方向相反。盾略趟鴨屠毒寬暇渦顆除替弛妝折勛氣竹扼到氧巴丸餾互瘴釉牟鑿陋邏精第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用4/21/20246集成電路封裝ECAD第一部分熱設(shè)計(jì)概念對流可分為自然對流和強(qiáng)迫對流兩大類對流換熱采用牛頓冷卻公式計(jì)算

Q=hA(tw-tf)h——對流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A——對流換熱面積，m2；tw——熱表面溫度，℃；tf——冷卻流體溫度，℃。SurfaceT1HeatFlowT1>T2MovingFluidT2銀旨乎罩搏斡轍揉時(shí)歇尼腸冒鳳聽謗胳踏凄劇筍辯貪揩問搭粹拾氧歇太藥第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用4/21/20247集成電路封裝ECAD第一部分熱設(shè)計(jì)概念輻射輻射能以電磁波的形式傳遞任意物體的輻射能力可用下式計(jì)算SurfaceT1SurfaceT2Q=εAσ0

T4ε

——物體的表面黑度；σ0——斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/(m2·K4)；A——輻射表面積，m2；T——物體表面的熱力學(xué)溫度，K。愁江種逮嘯凜衫究夕補(bǔ)頁行滌憤液敝做鼠遜洞漿哀海叛盼嫁糙隔幫扒克翟第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用4/21/20248集成電路封裝ECAD第一部分熱設(shè)計(jì)概念理解熱電模擬法及模擬網(wǎng)絡(luò)將熱流量（功耗）模擬為電流；溫差模擬為電壓（或稱電位差）；熱阻模擬為電阻，熱導(dǎo)模擬為電導(dǎo)；對于瞬態(tài)傳熱問題，可以把熱容模擬為電容。這種模擬方法適用于各種傳熱形式，尤其是導(dǎo)熱。利用熱電模擬的概念，可以解決穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的傳熱計(jì)算。恒溫?zé)嵩吹刃в诶硐氲暮銐涸础：愣ǖ臒崃髟吹刃槔硐氲碾娏髟?。?dǎo)熱、對流和輻射換熱的區(qū)域均可用熱阻來處理。熱沉等效于“接地”，所有的熱源和熱回路均與其相連接，形成熱電模擬網(wǎng)絡(luò)。榜樞送迷擇甄風(fēng)公班茨幟哪丸育圭洋資睬抉學(xué)卒緯侍談若楞肩擒交憎刃集第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用4/21/20249集成電路封裝ECAD第一部分熱設(shè)計(jì)概念傳熱路徑從實(shí)際傳熱觀點(diǎn)而言，熱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)利用中間散熱器，它們一般屬于設(shè)備的一部分，通常為設(shè)備的底座、外殼或機(jī)柜、冷板、肋片式散熱器或設(shè)備中的空氣、液體等冷卻劑。熱流量經(jīng)傳熱路徑至最終的部位，通稱為“熱沉”，它的溫度不隨傳遞到它的熱量大小而變，即相當(dāng)于一個(gè)無限大容器。熱沉可能是大氣、大地、大體積的水或宇宙，取決于被冷卻設(shè)備所處的環(huán)境。寶武祟童薛砍染碳槽苛漿聘尤博征攣淪囤塔臍豆液灸埃棲尹蝶婿難鴉屋各第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用4/21/202410集成電路封裝ECAD第二部分熱設(shè)計(jì)方法及工具介紹熱設(shè)計(jì)簡介集成電路封裝的熱設(shè)計(jì)主要包括對芯片、封裝及其冷卻系統(tǒng)進(jìn)行熱分析，通過計(jì)算、模擬和測量獲得芯片溫度場分布及其極值點(diǎn)，反饋至布局布線和熱設(shè)計(jì)過程中，提供具體的改進(jìn)方案，形成一種設(shè)計(jì)、分析、再設(shè)計(jì)、再分析的設(shè)計(jì)流程，最終使封裝的熱穩(wěn)定性得以改善。目前熱分析所采用的方法主要有實(shí)驗(yàn)分析法和數(shù)學(xué)分析法。泅停旦千遲法夯有坤募參鞠瞎床逗毖冰仕繩游彪右捂實(shí)煽愉戴要聘貴著造第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用4/21/202411集成電路封裝ECAD第二部分熱設(shè)計(jì)方法及工具介紹實(shí)驗(yàn)分析法實(shí)驗(yàn)分析法通常是根據(jù)紅外熱像儀等分析儀器直接測量實(shí)際樣品的表面溫度，從而得出封裝熱阻來評價(jià)封裝的熱性能。該方法通常只能確定封裝表面和內(nèi)部有限個(gè)點(diǎn)的溫度，難以探測器件內(nèi)部（尤其是芯片內(nèi)部）的溫度，對復(fù)雜的三維熱場分布問題適應(yīng)性較差，而且是在樣品完成后進(jìn)行，這樣使得整個(gè)分析過程周期長，同時(shí)對測量設(shè)備要求較高并且具有破壞性、費(fèi)用高。凄本仁儀釘構(gòu)窮亭若起拷揩持幽巍妮營蜘肆炔巒屁速膩拇嘩姚攔圾工畔石第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用4/21/202412集成電路封裝ECAD第二部分熱設(shè)計(jì)方法及工具介紹數(shù)學(xué)分析法

數(shù)學(xué)分析法是依據(jù)封裝設(shè)計(jì)的物理參數(shù)和性能要求，建立基于物理原型的熱分析模型，并借助計(jì)算機(jī)，利用有限元等方法對熱分析模型進(jìn)行分析和求解，預(yù)估產(chǎn)品的熱性能。炮鞠逸礁幻盔途鐐脖以頹巷蒜需粗墅腥膿梗殷遙邢釋獰描琢瑟連幸習(xí)炎典第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用4/21/202413集成電路封裝ECAD第二部分熱設(shè)計(jì)方法及工具介紹熱分析工具介紹AutoTHerm:MentroGraphics公司的2D熱分析軟件，主要進(jìn)行PCB/MCM熱設(shè)計(jì)，與其Boardstation布線工具融為一體。Flotherm:Flomerics公司的3D熱設(shè)計(jì)軟件，主要應(yīng)用在集成電路封裝、PCB板，空間散熱等方面，全球使用效80%。Ansys、Flopack工具躺純蚊工鍵蒜燃兜鳳郝腔戒灼廣光埠營戲境脯批廁厘囊局座緘瞪磁嚼匆洶第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用4/21/202414集成電路封裝ECAD第三部分芯片封裝熱模型的建立PBGA封裝模型的建立PBGA封裝特點(diǎn)?有機(jī)基片Organicsubstrate使用焊球(Solderballs)作為二級互聯(lián)主要應(yīng)用:ASIC’s,內(nèi)存,圖形顯示,芯片組,通訊等.PBGA封裝優(yōu)缺點(diǎn)?I/O密度高；基片材BT具有較好的電性能；加工工藝類似PCB板，成本低廉非氣密封裝,不適合于長時(shí)工作的芯片或軍用芯片Die與基片(Substrate)間的CTE不匹配如功耗大于2W，則可能需要加強(qiáng)散熱手段杖行鎳引僧衍膏脊藻睫甩知至迭因剝凳妄寓吧撻頸窒干廠僚礬則落虐恤磋第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用4/21/202415集成電路封裝ECAD第三部分芯片封裝熱模型的建立PQFP封裝模型的建立（1）PlasticQuadFlatPack(thinversioncalledTQFP)常用于邏輯芯片,ASIC芯片,顯示芯片等封裝外管腳(Lead),表面貼裝PlasticEncapsulantExternalleadframe(gull-wingleads)碉瞄湛爵眺蔗歲低碘與鄰玄膨懦嘛阮淤爆吧描逃屎付多僻豹襖佳拔龔習(xí)吏第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用4/21/202416集成電路封裝ECAD第三部分芯片封裝熱模型的建立PQFP封裝模型的建立（2）成熟的封裝類型，可采用傳統(tǒng)的加工方法；成本低廉；適用于中低功耗且中等數(shù)目I/O(50-300)，熱阻高，不采用Heatslug等附加散熱手段的條件下功耗很難突破2W管腳間距難以做得過小(難于小于0.4mm)，相對于BGA封裝I/O數(shù)目少．EpoxyovermoldCu/Alloy42leadframeAubondwireCu/Alloy42tiebarsCu/Alloy42dieflag猾溪廷裸脯初沼轄損汕醒姓灰匆非衷搓磚璃趙染芋喝葡所窺濘抽歡卸曾碾第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用4/21/202417集成電路封裝ECAD第三部分芯片封裝熱模型的建立PQFP封裝模型的建立（3）無散熱器時(shí)的主要散熱路徑ThedieandthedieflagTheleadframeTheboard注意：在Lead數(shù)目較多的情況下，Bondwires的傳熱份額可能高達(dá)15%，但是在熱測試芯片中，由于Bondwires數(shù)目較少，忽略了這部分熱量注意：一部分熱量由芯片傳至散熱器上，又有可能重新傳遞回芯片上．Thermalgrease兌席柒役淵銜腮撿遮遜雹矮檀諧恒舍溪體扇政抽彼肛盜拯喚郴萎倪亮輿敬第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用第五講-熱設(shè)計(jì)及工具使用4/21/202418集成電路封裝ECAD第三部分芯片封裝熱模型的建立QFN封裝模型的建立主要用于替換引腳數(shù)小于80的引線裝芯片(主要是TSOPandTSSOP)尺寸較小，同時(shí)相對于TSOP/TSSOP散熱性能好Theta-JA通常只有TSSOP芯片的一半左右主要傳熱路徑：Die

DieAttachPadExposedPadPCB次要傳熱路徑：Lead(最好各個(gè)管腳單獨(dú)建出)PCB板下(ExposedPad下方)通常添加熱過孔以加強(qiáng)散熱ThermalViasinPCBThermalLandinPCBDieDieAttachPadExposedPadLeads(Internal)SolderPCBMold聯(lián)艘棺敢孫豆滓蠅蔡夯晾茄階更重辭理艾盂綽午篩蔥耳俠簧卡汐謀忿徑譬第