黃 衛(wèi)，史 杰，張振越，楊中磊，蔣 涵，朱思雄

（中微高科電子有限公司，江蘇無錫 214035）

1 引言

集成電路封裝指芯片與外置的框架或者基板固連，進(jìn)而裝配成可用于實(shí)現(xiàn)一定功能作用的完整系統(tǒng)，封裝技術(shù)可大致分為陶瓷封裝、塑料封裝和晶圓級(jí)封裝。隨著全球以電子計(jì)算機(jī)為核心的信息時(shí)代的高速發(fā)展，業(yè)界對(duì)芯片的性能也提出了更高的要求，高性能、高可靠、小型化的特點(diǎn)已成為芯片未來發(fā)展的主流方向[1]。陶瓷封裝作為高可靠性封裝的重要形式之一能夠?yàn)樾酒峁┝己玫臍饷苄员Ｗo(hù)，其主要原因在于陶瓷材料在熱、機(jī)械、電等方面具有較高的穩(wěn)定性[2]。作為電子器件的承載基板，業(yè)界已研發(fā)出多種陶瓷材料及其用于封裝的技術(shù)。

芯片的結(jié)-環(huán)境熱阻作為衡量芯片散熱性能的重要參數(shù)之一，封裝技術(shù)的選用和封裝材料的選擇對(duì)熱阻系數(shù)具有非常大的影響[3]。本文對(duì)上部引出的陶瓷四邊扁平封裝（CQFP-U）芯片進(jìn)行研究，在確保測(cè)試器件熱阻測(cè)試結(jié)果與建模仿真結(jié)果相一致的準(zhǔn)確條件下，探究不同尺寸的PCB板、熱沉的不同材料以及不同導(dǎo)電膠材料對(duì)芯片結(jié)點(diǎn)與環(huán)境之間熱阻Rja的影響。

2 芯片結(jié)-環(huán)境熱阻測(cè)試

測(cè)試芯片的尺寸為3.54 mm×3.84 mm，芯片的厚度為0.2 mm，PCB板的尺寸為114.3 mm×103 mm，厚度為1.6 mm。在進(jìn)行熱阻測(cè)試時(shí)，芯片的加熱電流為2 A，測(cè)試電流為1 mA。芯片在進(jìn)行熱阻測(cè)試時(shí)，將PCB板上的引入端（VCC）及引出端（GND）反接，從而構(gòu)成溫敏二極管電路，并使二極管正向壓降作為溫敏參數(shù)。圖1為測(cè)試電路溫敏系數(shù)（K）測(cè)試擬合曲線，測(cè)得K為-2.412 mV/℃。

圖1 K系數(shù)測(cè)試擬合曲線

芯片與PCB通過位于芯片上部的引腳實(shí)現(xiàn)線路互聯(lián)，位于熱沉的底部PCB板上密排著9×9的通孔，其主要作用是將芯片在通入2 A時(shí)的電流所產(chǎn)生的熱量通過熱傳導(dǎo)的方式傳遞到PCB板上進(jìn)行散熱。由于PCB板沿著徑向方向上的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于軸向上的熱傳導(dǎo)，芯片產(chǎn)生的熱量傳到通孔，并由通孔將熱量傳遞到PCB板，這有利于將芯片產(chǎn)生的熱量通過PCB板與環(huán)境進(jìn)行對(duì)流換熱[4]，從而將芯片的溫度維持在適當(dāng)?shù)姆秶畠?nèi)。圖2所示為熱阻測(cè)試的結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線及熱阻處理結(jié)果。

圖2 Rja熱阻測(cè)試結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線及熱阻處理結(jié)果

芯片的結(jié)-環(huán)境熱阻為芯片結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的熱阻大小，其計(jì)算公式見式（1）：

Rja為芯片結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的熱阻，單位℃/W；tj為芯片的結(jié)點(diǎn)溫度，單位℃；ta為環(huán)境溫度，單位℃；P為芯片的功率，單位W。

根據(jù)熱阻計(jì)算公式和熱阻測(cè)試曲線，芯片進(jìn)行熱阻測(cè)試時(shí)，通入電流為2 A時(shí)芯片所產(chǎn)生的功率為4.668 W，芯片測(cè)試的結(jié)-環(huán)境熱阻為6.32℃/W。

3 結(jié)-環(huán)境熱阻仿真分析

3.1 仿真模型相關(guān)參數(shù)

在建立仿真模型時(shí)，根據(jù)JESD51-5要求規(guī)范，實(shí)際情況中用于實(shí)現(xiàn)將芯片產(chǎn)生的熱量導(dǎo)入PCB板的鍍金屬通孔用金屬板和金屬圓柱代替。金屬板與金屬圓柱相連嵌入PCB板內(nèi)，二者厚度之和與PCB板一致。圖3為CQFP-U型陶瓷封裝芯片結(jié)構(gòu)圖。

圖3 CQFP-U型陶瓷封裝芯片結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)CQFP-U型芯片的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，仿真模型的尺寸參數(shù)和材料的熱屬性如表1、2所示。表1為CQFP-U型陶瓷封裝芯片的尺寸參數(shù)，表2為CQFP-U型陶瓷封裝芯片材料的熱導(dǎo)率。

表1 CQFP-U型陶瓷封裝芯片的尺寸參數(shù)

表2 CQFP-U型陶瓷封裝芯片材料的熱導(dǎo)率

3.2 熱阻仿真邊界條件

芯片結(jié)-環(huán)境仿真需要考慮實(shí)際測(cè)試與軟件模擬環(huán)境的擬合度，從而使仿真模擬的邊界條件與實(shí)際情況緊密貼合，保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

芯片在進(jìn)行結(jié)-環(huán)境熱阻測(cè)試時(shí)是置于密閉的箱體內(nèi)部，芯片與空氣發(fā)生自然熱對(duì)流的同時(shí)也向空氣中輻射熱量，設(shè)置空氣的溫度為25℃。根據(jù)熱阻測(cè)試的數(shù)據(jù)，芯片通入2 A電流發(fā)熱功率為4.668 W，該數(shù)值在仿真中被設(shè)定為芯片的熱載功率。

3.3 熱阻仿真結(jié)果

熱量的傳遞通過導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射進(jìn)行換熱，結(jié)-環(huán)境熱阻仿真時(shí)，芯片是唯一的發(fā)熱熱源。熱量主要經(jīng)導(dǎo)電膠傳遞到熱沉上，熱沉與PCB板之間的金屬平板圓柱將熱量導(dǎo)入PCB板并在其內(nèi)部沿著徑向傳導(dǎo)，由于PCB板與空氣具有較大的接觸面進(jìn)行熱量交換，有利于維持整個(gè)電路的熱量平衡[5]；芯片框架和蓋板與空氣接觸的面積較小，少量的熱量會(huì)通過外殼與空氣進(jìn)行對(duì)流換熱；此外，芯片也會(huì)向空氣中輻射少量熱量。圖4為CQFP-U型陶瓷封裝結(jié)-環(huán)境熱阻仿真云圖，表3為CQFP-U型陶瓷封裝結(jié)-環(huán)境熱阻測(cè)試與仿真對(duì)比。

圖4 CQFP-U型陶瓷封裝結(jié)-環(huán)境熱阻仿真云圖

根據(jù)圖5的結(jié)-環(huán)境熱阻仿真結(jié)果可知，當(dāng)環(huán)境溫度為25℃、芯片發(fā)熱功率為4.668 W時(shí)，芯片的結(jié)溫為57.22℃，結(jié)環(huán)境熱阻數(shù)值為6.9℃·W-1。

表3 CQFP-U型陶瓷封裝結(jié)-環(huán)境熱阻測(cè)試與仿真對(duì)比

根據(jù)結(jié)-環(huán)境熱阻測(cè)試與仿真分析數(shù)值的對(duì)比，其誤差在10%以內(nèi)，該種仿真分析方法所得到的結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性。

4 CQFP-U型芯片的結(jié)-環(huán)境熱阻分析

芯片所產(chǎn)生的熱量主要的散熱方式是通過底部的熱沉傳遞到PCB板上，因此，研究導(dǎo)電膠、熱沉和PCB板尺寸對(duì)熱阻的影響尤為重要。

4.1 導(dǎo)電膠材料

導(dǎo)電膠的作用除了將芯片粘貼在熱沉上[6]，芯片產(chǎn)生的熱量通過導(dǎo)電膠并以熱傳導(dǎo)的方式傳遞到熱沉，其材料粘結(jié)強(qiáng)度的選擇對(duì)芯片封裝的可靠性具有很大的影響[7]。本文只考慮導(dǎo)電膠材料的熱導(dǎo)率對(duì)芯片的結(jié)-環(huán)境熱阻的影響，忽略其粘結(jié)強(qiáng)度、固化溫度等因素造成芯片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和翹曲的變化。表4為4種不同材料的熱導(dǎo)率大小。

表4 導(dǎo)熱膠材料的熱導(dǎo)率

4.2 熱沉材料

芯片內(nèi)部熱沉可以有效降低芯片的結(jié)-環(huán)境熱阻數(shù)值，其主要原因是熱沉材料的熱導(dǎo)率高，熱沉與PCB板接觸面積的增加能夠?qū)⑿酒a(chǎn)生的熱量導(dǎo)入PCB板，維持整個(gè)芯片內(nèi)部的能量平衡。表5為3種材料熱沉的熱導(dǎo)率。

表5 熱沉材料的熱導(dǎo)率

4.3 PCB板尺寸

參照J(rèn)ESD51-7標(biāo)準(zhǔn)，PCB板的標(biāo)準(zhǔn)尺寸有114.3 mm×76.2 mm和114.3 mm×101.6 mm兩種類型，用于熱阻測(cè)試器件的PCB板的尺寸為114.3 mm×103 mm，屬于非標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)類型。仿真分析研究PCB尺寸對(duì)芯片結(jié)-環(huán)境熱阻的影響時(shí)，內(nèi)部材料層與厚度如表6所示。

表6 PCB板材料層與厚度

4.4 參數(shù)化仿真結(jié)果

材料的熱導(dǎo)率直接影響芯片的熱阻大小，作為芯片散熱的主要路徑，芯片產(chǎn)生的熱量通過導(dǎo)電膠、熱沉傳遞到PCB板，并在PCB板上與空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，維持熱量的平衡。對(duì)多種導(dǎo)電膠的材料熱導(dǎo)率、熱沉的材料熱導(dǎo)率以及PCB板的尺寸組合進(jìn)行仿真分析，研究其對(duì)芯片熱阻的影響大小，有利于優(yōu)化芯片的熱阻數(shù)值。表7為PCB板尺寸為114.3 mm×103 mm×1.6 mm芯片結(jié)溫仿真的記錄表，表8為PCB板尺寸為114.3 mm×76.2 mm×1.6 mm芯片結(jié)溫仿真記錄表。

表7、8分別為2種不同尺寸的PCB板，選用熱沉材料熱導(dǎo)率分別為150 W/(m·℃)、250 W/(m·℃)和398 W/(m·℃)，對(duì)應(yīng)4種不同導(dǎo)電膠熱導(dǎo)率的芯片仿真結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)。從表7、8中可以看出，當(dāng)PCB板的尺寸一定時(shí)，隨著熱沉與導(dǎo)電膠材料熱導(dǎo)率的增加，芯片的結(jié)溫逐漸降低，此外，熱沉與導(dǎo)電膠材料熱導(dǎo)率低于PCB板尺寸變化對(duì)芯片結(jié)溫的影響。

仿真分析的環(huán)境設(shè)置為25℃，圖5（a）、（b）分別為114.3 mm×103 mm×1.6 mm和114.3 mm×76.2 mm×1.6 mm 2種PCB板尺寸芯片的結(jié)-環(huán)境熱阻隨著熱沉與導(dǎo)電膠材料熱導(dǎo)率變化的曲線圖。

表7 PCB板尺寸為114.3 mm×103 mm×1.6 mm芯片仿真結(jié)果記錄表

表8 PCB板尺寸為114.3 mm×76.2 mm×1.6 mm芯片仿真結(jié)果記錄表

圖5 芯片熱阻變化曲線

仿真分析結(jié)果表明，當(dāng)PCB板的尺寸不變時(shí)，隨著熱沉與導(dǎo)熱膠材料熱導(dǎo)率的增大，CQFP-U型芯片的結(jié)-環(huán)境熱阻逐漸降低。當(dāng)PCB板的尺寸、熱沉的材料不變時(shí)，導(dǎo)熱膠4種材料熱導(dǎo)率選用導(dǎo)致熱阻的變化量約為0.1℃/W左右；當(dāng)PCB板尺寸與導(dǎo)熱膠材料不變時(shí)，熱沉材料的熱導(dǎo)率導(dǎo)致芯片熱阻的變化量為0.58℃/W；當(dāng)熱沉與導(dǎo)熱膠的材料不變時(shí)，2種PCB板尺寸的變化所導(dǎo)致的芯片熱阻變化量為0.85℃/W。

5 結(jié)論

通過仿真與試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了分析方法的準(zhǔn)確性，并對(duì)PCB板尺寸變化、熱沉熱導(dǎo)率和導(dǎo)熱膠材料的熱導(dǎo)率變化對(duì)芯片結(jié)-環(huán)境熱阻的影響進(jìn)行了分析研究。針對(duì)CQFP-U型芯片，PCB板尺寸的變化對(duì)芯片熱阻的影響較高，熱沉材料對(duì)熱阻的影響高于導(dǎo)熱膠材料。