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電子封裝材料 2009 2010學年 第二學期 封裝的熱控制 一、電子器件熱控制的重要性 二、熱控制計算基礎 1、一維傳導 2、固體界面的熱流通 3、對流 4、整體負載的加熱和冷卻 、熱阻 、串聯(lián)的熱阻 、并聯(lián)的熱阻 、和封裝的熱控制 、自然通風的印刷電路板 、單一印刷電路板 、強制對流下的印刷電路板 封裝的熱控制 三、 電子器件冷卻方法 、散熱器 、熱通道 、熱管道冷卻 、沉浸冷卻 、熱電制冷 、冷卻方法的選擇 封裝的熱控制 四 、熱機械應力對封裝的影響 、芯片貼裝的熱機械應力 、熱疲勞 、封裝焊接點的熱應力 、印刷電路板的熱應力 、灌封樹脂的熱性質 封裝的熱控制 一、 電子器件熱控制的重要性 1、為什么要進行封裝的熱控制： 保障微電子器件正常工作的需要： 微電子器件總是存在電阻，工作中會發(fā)熱 熱量不能及時散去，器件溫度將升高 影響其功能甚至損壞器件 微電子器件發(fā)展的需要： IC發(fā)展趨勢為高集成度、小尺寸、高電流、微小電 壓降 要求封裝具有良好散熱性能，使器件溫度穩(wěn)定在可 正常工作的溫度之下 封裝的熱控制 一、 電子器件熱控制的重要性 1、為什么要進行封裝的熱控制： 微電子器件封裝體在短時間溫度急劇升 高，往往會損壞封裝體： 過熱使封裝產生破裂、剝離、熔化、 蒸發(fā)甚至會發(fā)生封裝材料的燃燒 受沖擊和振動的電子產品，溫度波動 還會導致材料疲勞斷裂，降低封裝的 機械壽命 封裝的熱控制 一、 電子器件熱控制的重要性 1、為什么要進行封裝的熱控制： 溫度升高照成封裝結構破壞： 封裝體由不同熱膨脹系數(shù)的材料構成，生產、測試、 儲存和運輸過程中由于熱膨脹不匹配造成的熱應力 引起的破壞 使封裝體中殘余的熱應力對封裝結構造成破壞： 封裝的制造溫度往往比使用溫度高，總是有一些 殘余的熱應力存在 低溫下，該應力顯得更大 即使沒有匹配的問題，在封裝結構的溫度分布不 均勻時也會產生熱應力 封裝的熱控制 一、 電子器件熱控制的重要性 1、為什么要進行封裝的熱控制： 溫度變化導致封裝體失效的幾種可能機 制： 焊接鍵合材料的機械蠕動變形 寄生的化學反應 半導體摻雜離子吸熱擴散 機械支撐的熱疲勞等都會由于高溫而 增大失效速率 封裝的熱控制 一、 電子器件熱控制的重要性 2、封裝熱控制的溫度值目標 通常電子產品的最高允許溫度為 少數(shù)產品可到 可靠性要求高的產品，平均半導體結的工作溫度限定 在 以下 一般地，微電子器件的溫度不能超過 微電子器件的封裝材料在高溫下強度會降低 封裝的塑料能承受的最高溫度一般為 ， 即塑料的變形溫度 另外，高于 時，錫焊接點的強度就開 始降低 封裝的熱控制 一、 電子器件熱控制的重要性 3、微電子器件封裝的熱控制要根據封裝等級不同而有不同的處理， 及在不同的封裝水平上根據傳熱機理，使用不同散熱技術： 第一級，微電子器件的封裝是芯片的封裝，對芯片提供保護外 殼 主要目標： 將芯片散發(fā)的熱量傳導到封裝的表面，然后傳導到印刷 電路板上 降低半導體硅片和封裝外表面之間的熱阻，是降低芯片溫 度的最有效方法。 為改善芯片散熱性能，可在晶片鍵合的黏結劑中添加鉆石、 銀或者是其他高導熱性材料 另一種方法是在芯片表面上安放金屬片散熱器，同時應用 增強導熱性能的模塑材料及封埋導熱插件 封裝的熱控制 一、 電子器件熱控制的重要性 3、微電子器件封裝的熱控制要根據封裝等級不同而有不同的處理， 及在不同的封裝水平上根據傳熱機理，使用不同散熱技術： 第二級封裝，印刷電路板封裝，它提供芯片與芯片之 間的通信 第三級封裝，主板封裝，它提供印刷電路板之間的連 接 第四級封裝，整個系統(tǒng)的整機和外殼的封裝 在級和級中，常用強制熱控手段，如強制通風系 統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、散熱管、熱交換器以及液體泵 封裝的熱控制 一、 電子器件熱控制的重要性 4、其他熱控制技術例舉 依據技術的物理原理： 熱傳導 對流 輻射 相變過程 塑料 DIP封裝： 加入 SiO2粉增加模塑材料塊的導熱性 用高導熱的銅合金替代低導熱的合金 43做引線框架 引入封裝內部熱分散結構，如鋁金屬熱分散結構 封裝的熱控制 一、 電子器件熱控制的重要性 4、其他熱控制技術例舉 采用高導熱的陶瓷材料做封裝 高導熱材料有： 氮化鋁 碳化硅 氧化鈹 用它們代替常用的氧化鋁陶瓷 降低芯片與封裝表面之間的距離，縮短散熱路徑 封裝的熱控制 一、 電子器件熱控制的重要性 4、其他熱控制技術例舉 用封裝外部散熱器來降低對流散熱阻力 很普遍，制造更多的對流通風的散熱表面 對流通風可以是自然空氣循環(huán)，也可以在散 熱器上用電扇吹風 在大功率器件上，最好用直接排熱管道散熱 可以將器件浸在液體介質中，或通過高速吹 風來冷卻芯片 用埋藏散熱管可大大地提高散熱能力 封裝的熱控制 一、 電子器件熱控制的重要性 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 三種傳熱方式： 熱傳導 對流 輻射 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 1、一維熱傳導 在固體和靜止的液體以及靜態(tài)的空氣媒介當中， 熱的傳導是通過分子間的能量交換來實現(xiàn)的 其表達式為熱傳導傅里葉方程： q dT kA dx 熱流 熱導率 傳導橫截面積 在傳導方向溫度梯度 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 穩(wěn)定傳熱長度為 L的介質兩端溫差： 12 qL TT kA 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 2、固體界面熱流通： 1 2 1 2 12 22 c c f v T T T T q k A k A k A 物體實際接觸面積 兩物體熱導率 物體間流體熱導率 兩物體間通過 流體接觸的面積 兩物體之間間隙 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 3、 對流 含義： 由固體向流動的流體的傳熱叫 包括兩機制： 由臨近的靜止分子向固體表面的熱交換， 與熱傳導一樣 由于流體流通而將熱量從固體表面帶走 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 3、 對流 牛頓冷卻定律 設物體表面和流體間的溫度差和熱流量成正 比，可表示為： ()sfq h A T T 傳熱系數(shù) 表面積 物體表面溫度 流體溫度 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 3、 對流 熱輻射 含義 由于電磁波或者光子能量的輻射與 吸收的結果 可通過真空或者其他對紅外光線透 明的媒介傳熱 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 3、 對流 熱輻射 熱輻射波能量（特別對于波長大于 1微米） Q與發(fā)熱表面和介質間的溫度 4次方之差成正 比： 44 1 2 12()Q A T T F 輻射系數(shù) 斯蒂芬 -玻爾茲曼常數(shù) 兩表面輻射 “ 視因子 ” 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 3、 對流 熱輻射 當溫差很少時，等式可以表示為： 12()rQ h A T T 3 2 1 2 1 24 ( )rh F T T 有效輻射傳熱系數(shù) 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 3、 對流 熱輻射 當溫度差較小（ 10K），輻射系數(shù)近似等于 自然對流傳熱系數(shù) 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 4、 整體負載的加熱與冷卻 加熱（一個高導熱能力的內部受熱固體， 如果沒有外部冷卻，）其升溫速率： p d T q d t m c 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 4、 整體負載的加熱與冷卻 冷卻： 當一個固體被外部冷卻，升溫會以漸 近線形式趨于某個值 如已知其溫度傳導系數(shù)，最終穩(wěn)定溫 度可有牛頓冷卻公式得到 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 4、 整體負載的加熱與冷卻 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 4、 整體負載的加熱與冷卻 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 4、 整體負載的加熱與冷卻 冷卻時，物體溫度隨時間變化： /( ) ( 0 ) ( 1 )ph A t m c ssT t T T e 穩(wěn)定態(tài)溫度 熱時間常數(shù) 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 4、 整體負載的加熱與冷卻 由一個對流冷卻的固體向四周 的熱傳導受到兩種熱阻力： 固體 內部 熱傳導阻力 外 表面 的對流熱阻力 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 5、熱阻 熱的歐姆定律 定義熱阻為 th T R q 熱流 溫度降 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 5、熱阻 封裝中熱的歐姆定律 也用器件結溫與環(huán)境溫度差來表示 ja ja TT q 不再是熱流，而是器件功率 jc封裝內部結構，熱傳導 ca器件的安裝和冷卻技術，熱對流 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 5、熱阻 從傅立葉方程出發(fā) 一層材料的傳導熱阻為 th L R kA 截面積 A材料在傳熱方向的距離 熱導率 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 6、串聯(lián)熱阻 具有電阻串聯(lián)的形式 其熱流表達式根據傳熱方式不同而不同 如： 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 將 代入溫差等式中，就很容易得到溫度 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 7、并聯(lián)熱阻 具有電阻并聯(lián)的形式 溫度 和環(huán)境溫度之間的總熱阻可以寫為 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 8、 IC和印刷板封裝的熱控制 以一個實例說明，如圖為貼裝在主板上的帶有散熱器 的芯片塑料封裝結構示意圖 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 8、 IC和印刷板封裝的熱控制 實例說明 下圖為該帶有散熱器的芯片塑料封裝的散熱示意圖 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 8、 IC和印刷板封裝的熱控制 實例說明 由一層材料的傳導熱阻表達式 th LR kA 從芯片界面開始依次計算出各層熱阻 然后使用串聯(lián)方式，計算出芯片上下兩側的熱阻 在用并聯(lián)方式計算出總熱阻 最后通過 計算出芯片溫度 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 9、 自然通風的印刷板 自然通風原理： 熱空氣上升，冷空氣下降 熱傳導與通道關系： 一方面熱傳導與通道寬度有關 另一方面相對細長的通道，流體速度最高， 熱傳導速率最大 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 9、 自然通風的印刷板 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 10、 單一印刷電路板 在中等溫度情況下，對于垂直的等溫表 面，自然對流熱傳導系數(shù)可以用溫度差 的函數(shù)表示 對于表面熱流均勻的平面，自然對流傳 熱系數(shù)可以用熱通量函數(shù)表示 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 11、 強制對流下的印刷電路板 在兩個熱的平行板間的冷流體的流動，會導致 沿著板表面的流體動力和溫度邊界層的形成 在邊界層流體區(qū)域中，自由氣流的速度和溫度 轉變成墻壁的速度和溫度，流體在墻壁的速度 為零，其溫度等于墻壁的溫度 在離通道進口足夠遠的地方，通道墻上形成的 邊界層逐漸消失，變成完全的對流傳熱。一般 發(fā)生層流，很少出現(xiàn)混合與渦流的現(xiàn)象 封裝的熱控制 二、熱控制計算基礎 11、 強制對流下的印刷電路板 當強制的層流在一個長且狹窄的平行板間流動， 傳熱系數(shù)達到最大值： 4 h f e k d 4 e w A d P 通道流體直徑 熱導率 通道周長 流體截面積 封裝的熱控制 三、電子器件冷卻方法 1、散熱器 原理： 熱阻與傳熱系數(shù)和傳熱表面積成 反比 熱傳導定律： 熱流從高溫向低溫傳導 封裝的熱控制 三、電子器件冷卻方法 1、散熱器 散熱器總傳熱 ()f b aq hA T T 熱流 有效系數(shù) 基礎面積 傳熱系數(shù) 環(huán)境溫度 基底溫度 封裝的熱控制 1、散熱器 散熱器特點 表面積大 基本為矩形，基底部分厚度大于尾部 厚度 形狀有片狀，有針狀 散熱片間距越來越小，鋁薄片整體彎 曲后焊接，降低鍵合熱阻 封裝的熱控制 三、電子器件冷卻方法 2、熱通道 埋藏在電路板中金屬傳熱通道將降低熱 流阻 1 (1 )z m m mk k a k a 其中， km、 k1為金屬與絕緣體的熱導率， am為通道金屬截面積所占總面積的比例 封裝的熱控制 三、電子器件冷卻方法 2、熱通道 增加電路板導熱的一個有效方 法： 引入厚的銅金屬層，可以 降低 PWB板內熱阻 有利于將熱傳輸?shù)?PWB板邊緣 封裝的熱控制 三、電子器件冷卻方法 3、熱管道冷卻 含義： 是一種 長距離傳導大熱量 的導熱器件 利用 相變及蒸發(fā)擴散 過程來傳導熱量 用在 沒有運動部件及恒定溫度 的地方 封裝的熱控制 三、電子器件冷卻方法 3、熱管道冷卻 熱管構成，三個部分： 蒸發(fā)： 在這里吸收熱量同時流體蒸發(fā)； 冷凝： 在這里蒸氣冷凝同時排出熱量 絕熱： 這一段氣相和液相在中心和虹吸繩芯中流動來 完成循環(huán)，它與周圍介質有明顯的熱交換 封裝的熱控制 三、電子器件冷卻方法 3、熱管道冷卻 熱管可以提供一個熱阻非常低的路徑 一個銅管熱導率 400W/（ m.K） 加入水流體熱導率高達 100000W/（ m.K） 是普通銅管的 250倍 以水為流體，直徑 0.6cm長 15cm的水平 循環(huán)熱管可以傳導熱量 300W 而蒸發(fā)端到冷凝端只有 23 的溫差 封裝的熱控制 三、電子器件冷卻方法 3、熱管道冷卻 熱管的工作部分由 蒸汽作為介質 ，重量 很輕，大約幾克 但電子元件和熱管間的 界面熱阻將是阻 礙熱管工作效率的關鍵 發(fā)展和制造可靠的熱管非常重要 熱管多為柱狀，也可做成圓角形， S型，螺旋 形，甚至做成接近 3毫米的薄平板結構，直接 放在 PWB背后 封裝的熱控制 三、電子器件冷卻方法 4、沉浸冷卻 原理： 通過直接將電子元器件沉浸在低沸點 的介質液體中，達到控制電子器件工 作溫度的目的 冷卻介質在回路中流動，蒸發(fā)后冷凝 并返回系統(tǒng) 封裝的熱控制 三、電子器件冷卻方法 4、 熱電制冷 原理： 熱電制冷 TEC是一個固態(tài)熱泵 如有電勢加在兩個半導體結上 熱量會被一個結吸收而從另一個結放 出 熱量與電流大小成正比。 封裝的熱控制 三、電子器件冷卻方法 4、 熱電制冷 原理： Pelter效應： 當電子從 P-N結的 P型半 導體轉移到 N型半導體， 其能量態(tài)將會升高 因而吸收熱量，導致周 圍溫度降低 當電子移到 N邊時，釋放 出熱量 封裝的熱控制 三、電子器件冷卻方法 4、 熱電制冷 Peiter效應應用：半導體制冷片 封裝的熱控制 三、電子器件冷卻方法 5、冷卻方法之選擇 冷卻的必要性 電阻的存在使得器件溫度上升 一旦超過使用溫度，半導體結功能將 惡化，甚至擊穿燒毀 另外過熱將使得封裝破裂，熔化甚至 燃燒 封裝的熱控制 三、電子器件冷卻方法 5、冷卻方法之選擇 封裝熱設計考慮： 改善芯片導熱性 提供 PN結到芯片外的熱通道 增加芯片貼裝到基板的導熱性 改善封裝的熱分布 減少芯片封裝到基板的熱阻 提高器件散熱能力 封裝的熱控制 三、電子器件冷卻方法 5、冷卻方法之選擇 冷卻的過程： 器件在使用過程中產生的熱轉移到周圍環(huán)境 熱量通過 傳導 對流 輻射 相變過程 從器件傳輸?shù)酵饨绛h(huán)境。 封裝的熱控制 三、電子器件冷卻方法 5、冷卻方法之選擇 冷卻的途徑： 風 /液體 自然空氣冷卻、自然通風冷卻 強制通風冷卻、液體冷卻等 選用合理的材料結合 選用合理材料結合，使材料結合有合理 傳熱機制，使器件被控制在工作溫度內 封裝的熱控制 四、熱機械應力對封裝的影響 熱應力的起源： 封裝材料的熱彈性變形引起的熱應力 較大的溫度不均勻引起的熱應力 熱沖擊或熱應力松弛引起 熱應力可能導致封裝機械失效 封裝機械失效含義： 任何尺寸、形狀、材料性質或結構的整 體性方面的 機械性損壞 而導致的 結構功 能喪失 封裝的熱控制 四、熱機械應力對封裝的影響 機械損壞表現(xiàn)為： 晶體管 PN結損壞 晶體管結反向電壓升高引起散發(fā)功率增 大、熱量積聚 積聚熱量不能散發(fā)掉，高溫雪崩現(xiàn)象增 大，引起結處產生熱應力，熱應力導 致晶體管結擊穿失效 過大的彈性、塑性或脆性變形損壞 疲勞損壞、蠕變損壞 熱松弛損壞、熱沖擊損壞 封裝的熱控制 四、熱機械應力對封裝的影響 1、芯片貼裝的熱機械應力 來源： 芯片與基板之間 CTE不匹配 導致貼裝處的熱應力 甚至引起芯片斷裂 破裂位置 ： 一般發(fā)生在大芯片角落上 芯片貼裝處的空洞是造成芯片應力的主要原 因 在空洞邊緣處，芯片受到張應力，從而垂直 斷裂 封裝的熱控制 四、熱機械應力對封裝的影響 1、芯片貼裝的熱機械應力 焊接導致斷裂 ： 軟粘接劑（鉛錫、有機樹脂）貼片 焊劑本身強度低而斷裂 硬焊接劑（金硅共溶體、玻璃焊接） 貼片 熱應力會傳到芯片上從而使其斷裂 封裝的熱控制 四、熱機械應力對封裝的影響 1、芯片貼裝的熱機械應力 減少貼裝粘膠處熱應力措施 ： 使粘膠的彎曲硬度與粘接面的彎曲硬度一致， 盡量使用同一種膠 粘貼面材料硬度越高越好 用彈性模量小的粘膠劑會緩解熱應力 保持熱應力在粘膠劑的彈性范圍內，避免撕 扯應力 封裝的熱控制 四、熱機械應力對封裝的影響 2、熱疲勞 含義 溫度波動引起負載反復循環(huán)，導致材料疲勞， 在熱循環(huán)的低溫階段將發(fā)生脆性疲勞斷裂 熱疲勞與封裝 多種材料組成的封裝體 經受反復熱循環(huán)時，發(fā)生熱脹冷縮，產生熱 應力 如 CTE不匹配，將引起反復疊加逆向負載，使 封裝失效 封裝的熱控制 四、熱機械應力對封裝的影響 3、封裝焊接點的熱應力 產生原因 焊接件間熱膨脹系數(shù)不匹配，元件通 電并產生熱量時，焊接點就會產生剪 切應力 高溫及反復的溫度變化引起焊接點的 應力和熱疲勞 封裝的熱控制 四、熱機械應力對封裝的影響 3、封裝焊接點的熱應力 引線焊接鍵合的熱應力 兩種引線焊接方式： 熱壓引線焊接 超聲波引線鍵合 兩種方式，都存在 CTE不匹配，產生熱應 力，嚴重時導致脫焊，出現(xiàn)引線斷縫 也可出現(xiàn)引線焊接位移位導致短路 封裝的熱控制 四、熱機械應力對封裝的影響 4、印刷板的熱應力 結構： 玻璃纖維增強酚醛樹脂作為原板 經穿孔、通孔金屬鍍層和腐蝕等工藝制 造 用樹脂浸漬玻璃纖維作為結合劑將幾個 原板疊合可制作成多層印刷電路板，每 層板之間通過鍍金屬通孔互相連接 封裝的熱控制 四、熱機械應力對封裝的影響 4、印刷板的熱應力 熱應力來源： 印刷電路板中導體基本為 Cu， Cu的 CTE與樹 脂玻璃纖維 相比小得多，因此當印刷板冷熱 將產生熱應力 鍍金屬孔與電路板 熱不匹配產生熱應力 元件與電路板之間填充物 膨脹引起垂直于電 路板的熱應力 電路板中的有機材料的熱機械性對溫度突變 和潮濕敏感（吸潮） 封裝的熱控制 四、熱機械應力對封裝的影響 5、灌封樹脂的熱性質 熱塑性樹脂 玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等增強各種熱塑性樹 脂的總稱 特點： 加熱軟化，冷卻固化，為可逆過程。 熱固性樹脂 三聚氰胺甲醛樹脂、有機硅樹脂 特點： 一旦固化再加熱不軟化 封裝的熱控制 四、熱機械應力對封裝的影響 5、灌封樹脂的熱性質 彈性聚合物（硅橡膠） 特點： 熱穩(wěn)定好，防潮 環(huán)氧樹脂 特點 非常好的化學穩(wěn)定性、強度大、黏結性好、 CTE 低 加入少量彈性樹脂，使得彈性模量降低，有利于 降低熱應力，同時保留了環(huán)氧樹脂化學穩(wěn)定、強 度大、粘接性好于 CTE低的特點 習題與思考題 1、為什么要進行封裝的熱控制 2、進行微電子封裝，需要考慮那些傳熱方式 3、熱阻的表達式及其串并聯(lián)計算，掌握 帶有散 熱器的芯片塑料封裝結構中芯片溫度計算的 實例 4、微電子器件的冷卻方法有哪些，如何選用合 適的冷卻手段 5、電子封裝中，熱機械應力有那些來源，對封 裝體有那些影響