芯片結(jié)-環(huán)境熱阻DOE參數(shù)化性能研究

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，進而裝配成可用于實現(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、塑料封裝和晶圓級封裝。隨著全球以電子計算機為核心的信息時代的高速發(fā)展，業(yè)界對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為芯片提供良好的氣密性保護，其主要原因在于陶瓷材料在熱、機械、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熱阻系數(shù)具有非常大的影響[3]。本文對上部引出的陶瓷四邊扁平封裝（CQFP-U）芯片進行研究，在確保測試器件熱阻測試結(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)電膠材料對芯片結(jié)點與環(huán)境之間熱阻Rja的影響。

2 芯片結(jié)-環(huán)境熱阻測試

測試芯片的尺寸為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。在進行熱阻測試時，芯片的加熱電流為2 A，測試電流為1 mA。芯片在進行熱阻測試時，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為測試電路溫敏系數(shù)（K）測試擬合曲線，測得K為-2.412 mV/℃。

圖1 K系數(shù)測試擬合曲線

芯片與PCB通過位于芯片上部的引腳實現(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)境進行對流換熱[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)點到環(huán)境的熱阻大小，其計算公式見式（1）：

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

根據(jù)熱阻計算公式和熱阻測試曲線，芯片進行熱阻測試時，通入電流為2 A時芯片所產(chǎn)生的功率為4.668 W，芯片測試的結(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，根據(jù)JESD51-5要求規(guī)范，實際情況中用于實現(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)境仿真需要考慮實際測試與軟件模擬環(huán)境的擬合度，從而使仿真模擬的邊界條件與實際情況緊密貼合，保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

芯片在進行結(jié)-環(huán)境熱阻測試時是置于密閉的箱體內(nèi)部，芯片與空氣發(fā)生自然熱對流的同時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、對流和輻射進行換熱，結(jié)-環(huán)境熱阻仿真時，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行熱量交換，有利于維持整個電路的熱量平衡[5]；芯片框架和蓋板與空氣接觸的面積較小，少量的熱量會通過外殼與空氣進行對流換熱；此外，芯片也會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)境熱阻測試與仿真對比。

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，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)境熱阻測試與仿真對比

根據(jù)結(jié)-環(huán)境熱阻測試與仿真分析數(shù)值的對比，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)強度的選擇對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)率對芯片的結(jié)-環(huán)境熱阻的影響，忽略其粘結(jié)強度、固化溫度等因素造成芯片結(jié)構(gòu)強度和翹曲的變化。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)計類型。仿真分析研究PCB尺寸對芯片結(jié)-環(huán)境熱阻的影響時，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板上與空氣進行對流換熱，維持熱量的平衡。對多種導(dǎo)電膠的材料熱導(dǎo)率、熱沉的材料熱導(dǎo)率以及PCB板的尺寸組合進行仿真分析，研究其對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·℃)，對應(yīng)4種不同導(dǎo)電膠熱導(dǎo)率的芯片仿真結(jié)溫數(shù)據(jù)。從表7、8中可以看出，當(dāng)PCB板的尺寸一定時，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，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，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，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，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

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