第一部分 热设计概念 随着集成电路芯片功率的不断增加和封装体积的不断减少，电子元件的功耗和发热率迅速增加，致使元器件的散热问题成为阻碍电子技术继续向前发展的一个至关重要的问题，过高的温度会导致集成电路和封装失效。据研究表明，电子器件的可靠性不高的主要原因之一是热设计不合理。9/11/20241集成电路封装ECAD第一部分 热设计概念 o热设计的必要性热设计的必要性1.极热与极冷都会对电路造成负面影响2.温度从热到冷，然后又从冷到热的转变对电路同样造成负面影响3.一般认为，温度每升高10，失效率也增加一倍，阿伦尼斯经验方程：4.元器件的失效率与其结温成指数关系，性能则随结温升高而降低9/11/20242集成电路封装ECAD第一部分 热设计概念o热设计的两个主要目的热设计的两个主要目的1.预计各器件的工作温度，包括环境温度和热点温度2.使热设计最优化，以提高可靠性 9/11/20243集成电路封装ECAD第一部分 热设计概念o热设计的基本问题热设计的基本问题1.芯片功耗散发的热量决定的温升，也决定了任一给定结构的工作温度2.热量是以传导、对流和辐射传递出去，每种传热形式所传递的热量与其热阻成反比3.在稳态情况小，存在热平衡4.热量、热阻和温度是热设计中的重要参数5.冷却系统应该是最简单有最经济的6.权衡热设计与其他设计之间的关系9/11/20244集成电路封装ECAD第一部分 热设计概念o热传递的基本准则热传递的基本准则1.凡有温差的地方就有热量的传递2.热量传递的三种基本方式：传导、对流和辐射9/11/20245集成电路封装ECAD第一部分 热设计概念o传导传导1.气体的导热是气体分子不规则运动时相互碰撞的结果；金属导体中的导热主要靠自由电子的运动完成；非导电固体中的导热是通过晶格结构的振动来实现；液体中的导热主要依靠弹性波。T1T2T1 T2Heat FlowQ = -kA(DT/Dx)Q 热流量，W；k导热系数，W/(m)；A 垂直于热流方向的横截面面积，m2；DT/Dxx方向的温度变化率，/m。负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反。9/11/20246集成电路封装ECAD第一部分 热设计概念o对流对流1.可分为自然对流和强迫对流两大类2.对流换热采用牛顿冷却公式计算 Q = hA(tw-tf)h 对流换热系数，W/(m2)；A 对流换热面积，m2；tw 热表面温度，；tf 冷却流体温度，。Surface T1Heat FlowT1 T2Moving Fluid T29/11/20247集成电路封装ECAD第一部分 热设计概念o辐射辐射1.辐射能以电磁波的形式传递辐射能以电磁波的形式传递2.任意物体的辐射能力可用下式计算任意物体的辐射能力可用下式计算Surface T1Surface T2Q = A 0 T4 物体的表面黑度；0 斯蒂芬玻尔兹曼常数，5.6710-8 W/(m2K4)；A 辐射表面积，m2；T 物体表面的热力学温度，K。9/11/20248集成电路封装ECAD第一部分 热设计概念o理解热电模拟法及模拟网络理解热电模拟法及模拟网络1.将热流量（功耗）模拟为电流；温差模拟为电压（或称电位差）；热阻模拟为电阻，热导模拟为电导；对于瞬态传热问题，可以把热容模拟为电容。这种模拟方法适用于各种传热形式，尤其是导热。2.利用热电模拟的概念，可以解决稳态和瞬态的传热计算。恒温热源等效于理想的恒压源。恒定的热流源等效为理想的电流源。导热、对流和辐射换热的区域均可用热阻来处理。热沉等效于“接地”，所有的热源和热回路均与其相连接，形成热电模拟网络。9/11/20249集成电路封装ECAD第一部分 热设计概念o传热路径传热路径1.从实际传热观点而言，热设计时应利用中间散热器，它们一般属于设备的一部分，通常为设备的底座、外壳或机柜、冷板、肋片式散热器或设备中的空气、液体等冷却剂。2.热流量经传热路径至最终的部位，通称为“热沉”，它的温度不随传递到它的热量大小而变，即相当于一个无限大容器。热沉可能是大气、大地、大体积的水或宇宙，取决于被冷却设备所处的环境。9/11/202410集成电路封装ECAD第二部分 热设计方法及工具介绍o热设计简介热设计简介1.集成电路封装的热设计主要包括对芯片、封装及其冷却系统进行热分析，通过计算、模拟和测量获得芯片温度场分布及其极值点，反馈至布局布线和热设计过程中，提供具体的改进方案，形成一种设计、分析、再设计、再分析的设计流程，最终使封装的热稳定性得以改善。 2.目前热分析所采用的方法主要有实验分析法和数学分析法。9/11/202411集成电路封装ECAD第二部分 热设计方法及工具介绍o实验分析法实验分析法 实验分析法通常是根据红外热像仪等分析仪器直接测量实际样品的表面温度，从而得出封装热阻来评价封装的热性能。 该方法通常只能确定封装表面和内部有限个点的温度，难以探测器件内部（尤其是芯片内部）的温度，对复杂的三维热场分布问题适应性较差，而且是在样品完成后进行，这样使得整个分析过程周期长，同时对测量设备要求较高并且具有破坏性、费用高。9/11/202412集成电路封装ECAD第二部分 热设计方法及工具介绍o数学分析法数学分析法 数学分析法是依据封装设计的物理参数和性能要求，建立基于物理原型的热分析模型，并借助计算机，利用有限元等方法对热分析模型进行分析和求解，预估产品的热性能。9/11/202413集成电路封装ECAD第二部分 热设计方法及工具介绍o热分析工具介绍热分析工具介绍1.AutoTHerm: MentroGraphics公司的2D热分析软件，主要进行PCB/MCM热设计，与其Boardstation布线工具融为一体。2.Flotherm: Flomerics公司的3D热设计软件，主要应用在集成电路封装、PCB板，空间散热等方面，全球使用效80%。3.Ansys、Flopack工具9/11/202414集成电路封装ECAD第三部分 芯片封装热模型的建立oPBGA封装模型的建立封装模型的建立nPBGA封装特点?o有机基片Organic substrateo使用焊球(Solder balls)作为二级互联n主要应用: ASICs, 内存, 图形显示,芯片组,通讯等.nPBGA封装优缺点?oI/O密度高；o基片材BT具有较好的电性能；o加工工艺类似PCB板，成本低廉o非气密封装,不适合于长时工作的芯片或军用芯片oDie与基片(Substrate)间的CTE不匹配o如功耗大于2W，则可能需要加强散热手段9/11/202415集成电路封装ECAD第三部分 芯片封装热模型的建立oPQFP封装模型的建立（封装模型的建立（1）nPlastic Quad Flat Pack (thin version called TQFP)n常用于逻辑芯片, ASIC芯片, 显示芯片等n封装外管脚(Lead), 表面贴装Plastic EncapsulantExternal leadframe (gull-wing leads)9/11/202416集成电路封装ECAD第三部分 芯片封装热模型的建立oPQFP封装模型的建立（封装模型的建立（2）n成熟的封装类型，可采用传统的加工方法；n成本低廉；n适用于中低功耗且中等数目I/O(50-300)，n热阻高，不采用Heatslug等附加散热手段的条件下功耗很难突破2Wn管脚间距难以做得过小(难于小于0.4mm)，相对于BGA封装I/O 数目少Epoxy overmoldCu / Alloy 42 leadframeAu bond wireCu / Alloy 42 tie barsCu / Alloy 42 die flag9/11/202417集成电路封装ECAD第三部分 芯片封装热模型的建立oPQFP封装模型的建立（封装模型的建立（3）n无散热器时的主要散热路径oThe die and the die flagoThe leadframe oThe boardn注意：在Lead数目较多的情况下，Bondwires的传热份额可能高达15%，但是在热测试芯片中，由于Bondwires数目较少，忽略了这部分热量n注意：一部分热量由芯片传至散热器上，又有可能重新传递回芯片上Thermal grease9/11/202418集成电路封装ECAD第三部分 芯片封装热模型的建立oQFN封装模型的建立封装模型的建立n主要用于替换引脚数小于80的引线装芯片 (主要是 TSOP and TSSOP) n尺寸较小，同时相对于TSOP/TSSOP散热性能好nTheta-JA 通常只有 TSSOP芯片的一半左右 n主要传热路径：Die Die Attach Pad Exposed Pad PCBn次要传热路径：Lead(最好各个管脚单独建出)nPCB板下(Exposed Pad下方)通常添加热过孔以加强散热Thermal Vias in PCBThermal Land in PCBDieDie Attach PadExposed PadLeads (Internal)SolderPCBMold9/11/202419集成电路封装ECAD第三部分 芯片封装热模型的建立oCSP封装模型的建立封装模型的建立n封装相对于Die尺寸不大于20%o主要应用于内存芯片，应用越来越广泛o尺寸小，同时由于信号传输距离短，电气性能好o种类超过 40 种n如封装尺寸相对于Die，大于20%但接近20%，则称为 Near-CSP9/11/202420集成电路封装ECAD