來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)

1、任何電氣器件及電路都不可避免地伴隨有熱量的產(chǎn)生，要提高電子產(chǎn)品的可靠性以及電性能，就必須使熱量的產(chǎn)生達(dá)到最小程度，要管理這些熱量就需要了解有關(guān)熱力學(xué)的知識(shí)并深入掌握相關(guān)的材料知識(shí)：

    a. 溫度對(duì)電路工作的影響：升高一個(gè)有源器件的溫度通常會(huì)改變它的電學(xué)參數(shù)，如增益、漏電流、失調(diào)電壓、閥電壓和正向壓降等等；改變無(wú)源元件的溫度通常會(huì)改變它們的數(shù)值；所以設(shè)計(jì)人員需要對(duì)元器件進(jìn)行熱模擬和電模擬；

    b. 溫度對(duì)物理結(jié)構(gòu)的影響：玻璃轉(zhuǎn)化溫度Tg和熱膨脹系數(shù)CTE；

2、熱管理基礎(chǔ)：

    a. 熱力學(xué)第二定律：熱總是自發(fā)地從較熱的區(qū)域流向較冷的區(qū)域；
    b. 傳熱機(jī)理：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射；
■熱傳導(dǎo)是通過(guò)固體、液體和氣體或兩個(gè)緊密接觸的介質(zhì)之間流動(dòng)的過(guò)程；
■對(duì)流是兩個(gè)表面間由于流速不同而導(dǎo)致的熱能傳輸；
■輻射是通過(guò)電磁輻射傳熱的，主要發(fā)生在紅外波段（0.1~100um）；溫度為0K以上的所有物體都會(huì)發(fā)生熱輻射；溫度輻射體可分為：黑體（灰體和選擇性輻射體）和非黑體；

3、封裝概述：基于以下四個(gè)原因需要封裝半導(dǎo)體：為半導(dǎo)體提供機(jī)械支撐、為半導(dǎo)體提供下一級(jí)封裝的互連、為半導(dǎo)體提供環(huán)境的保護(hù)、為半導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量提供一種耗散途徑；常見的封裝有單芯片封裝（SCP）、多芯片模組（MCM）、系統(tǒng)級(jí)封裝（SIP）、多個(gè)芯片封裝（FCP）以及板級(jí)封裝；

4、封裝材料：
1）半導(dǎo)體：
    a. Si和Ge：硅的導(dǎo)熱率150W/(m?k)、鍺的導(dǎo)熱率77W/(m?k)；
    b. 化合物半導(dǎo)體：SiGe 150W/(m?k)、SiC 155W/(m?k)、GaAs 45W/(m?k)、InP 97W/(m?k)、GaP 133W/(m?k)、GaSb 33W/(m?k)、  GaN 16~33W/(m?k)、InAs 35W/(m?k)、InSb 19W/(m?k)；

2）芯片粘接材料：可以分為兩大類：軟和的硬的，軟粘接劑包括有機(jī)物、聚合物和鉛基釬料，硬粘接劑包括金基共晶釬料（AuSi、AuGe、AuSn）、銀基釬料（Sn96）和摻Ag玻璃；
    a. AuSi共晶焊：共晶溫度為370℃，導(dǎo)熱率為27 W/(m?k)；
    b. 軟釬焊：AuSn（共晶溫度為280℃導(dǎo)熱率57 W/(m?k) CTE為15.9ppm）、AuGe（共晶溫度為361℃導(dǎo)熱率44 W/(m?k) CTE為13.4ppm）和Sn96（共晶溫度為221℃導(dǎo)熱率33 W/(m?k) CTE為33.2ppm）；
    c. 摻Ag玻璃：由約60%的片狀Ag粉、20%的玻璃和20%有機(jī)粘結(jié)劑（在工藝過(guò)程中會(huì)完全燒毀）組成，其熱導(dǎo)率約為60~80 W/(m?k)，典型工藝溫度為400~420℃;
    d. 有機(jī)粘接劑：填充有貴金屬的聚酰亞胺、氰酸酯和環(huán)氧樹脂被廣泛用于芯片粘接，Ag是最常用的填充材料，特定應(yīng)用中Au和Cu也可用作填充材料，為提高導(dǎo)熱率可加入例如B3N4、AlN、Al2O3和CVD金剛石作為填充物；另外有機(jī)粘接劑可分為熱固性和熱塑性兩種；

3）基板及金屬化：基板可以是陶瓷、帶有電絕緣材料或有機(jī)物的金屬；
    a. 氧化鋁（Al2O3）：導(dǎo)熱率為12~35 W/(m?k)，與純度相關(guān)；CTE為6.3ppm（25~400℃）；
    b. 氧化鈹（BeO）：導(dǎo)熱率為248 W/(m?k)；CTE為6.4ppm（25~400℃）；需要注意的是Be化合物的粉塵會(huì)引起慢性Be病（CBD），稱為鈹中毒；
    c. 氮化鋁（AlN）：導(dǎo)熱率為170W/(m?k)；CTE為4.7ppm（25~400℃）；一個(gè)明顯缺點(diǎn)是在高溫下與水接觸會(huì)分解成無(wú)定形的氫氧化鋁；
    d. 低溫共燒陶瓷（LTCC）：是DuPont公司1985年商品化的一項(xiàng)厚膜工藝技術(shù)，其熱導(dǎo)率范圍為2.0~4.4 W/(m?k)，CTE為4.5~8.0ppm，取決于制造商和生瓷帶的具體成分；LTCC中導(dǎo)熱通孔的使用是提高熱導(dǎo)率的標(biāo)準(zhǔn)方法；
    e. 薄膜多層基板：用于制造多芯片模塊（MCM-D），其總熱阻由串聯(lián)的兩個(gè)熱阻組成，多層薄膜部分和支撐材料部分，另外設(shè)計(jì)者也可以使用導(dǎo)熱通孔陣列提高有效熱導(dǎo)率；
    f. 鋼基板：用鋼上介電材料（DOS）對(duì)不銹鋼進(jìn)行絕緣處理，例如Heraeus公司的Cermalloy GPA98-047的熱導(dǎo)率為4.3 W/(m?k)；
    g. CVD金剛石：合成金剛石或化學(xué)氣相淀積CVD金剛石是一種熱導(dǎo)率非常高的材料，其熱導(dǎo)率大于1300 W/(m?k)，故既可用作基板也可用作散熱片；
    h. 絕緣金屬基板（IMS）：既可用作基板也可用作電路卡，它們是單面包覆多層金屬的板，絕緣金屬基板是排列在18in×24in的板上制備的，所以是FR-4印制電路卡的廉價(jià)、高導(dǎo)熱率的替代物；其基板一般為Al，也可以是Cu、Cu-Invar-Cu、Cu-Mo-Cu或鋼，并起到熱沉的作用，介電材料為聚合物，厚度在擊穿電壓和熱阻之間權(quán)衡后選擇；
    i. 印制電路基板：在MCM-L（層壓板）應(yīng)用中，多層基板是用有機(jī)材料（如FR-4和聚酰亞胺）制備的；

4）基板粘接：在多芯片應(yīng)用中通常使用一塊基板，將基板粘接到下一級(jí)組件（不管是封裝、電路卡還是熱沉）上時(shí)需要粘結(jié)介質(zhì)，通常使用聚合物材料，除非基板背面需要接地，一般聚合物材料是不導(dǎo)電的；

5）各類封裝的材料和導(dǎo)熱通路：
    a. 非氣密封裝：塑封微電路（PEM）的主要熱通路是通過(guò)封裝的底座和引線到達(dá)電路卡組件，次要的熱通路是從管芯通過(guò)塑料傳到空氣中；
    b. 氣密封裝：對(duì)于高可靠性和惡劣環(huán)境的用途，使用陶瓷基板或金屬底座的氣密封裝，氣密封裝中的主要熱通路為通過(guò)底座的傳導(dǎo)，次要而且很小的一條熱通路是對(duì)流

6）熱界面材料：空氣的導(dǎo)熱率是0.026W/(m?k)，是熱的不良導(dǎo)體，必須從結(jié)到熱沉的熱通路中加以消除。消除的技術(shù)是施加機(jī)械壓力壓平表面或用高導(dǎo)熱率的材料進(jìn)行填充，常用的填充材料包括釬料、導(dǎo)熱脂、橡膠墊、導(dǎo)熱粘接劑、聚酰亞胺膜、相變材料、云母墊、粘接帶、陶瓷片、下填料以及聚合物復(fù)合材料（纖維）。

7）印制電路板（PWB）：在電子封裝中的應(yīng)用主要有兩個(gè)目的：互連和傳熱，可分為剛性和撓性兩大類，其中剛性PCB可以有多種結(jié)構(gòu)，包括單面、雙面和多層的，從熱管理方面考慮均可歸為一起，它們的熱阻與樹脂材料的熱導(dǎo)率和數(shù)值厚度成正比。一般的PCB板的CTE為15~20ppm，而導(dǎo)熱率根據(jù)材質(zhì)不在0.2~0.9 W/(m?k)之間。提高導(dǎo)熱率的方法有導(dǎo)熱通孔、微導(dǎo)通孔（積層技術(shù)）、以及芯片與熱沉直接粘接等；

8）撓性PCB：是由薄且撓性的介電材料與韌性的、只有圖形的Cu箔黏合而成，在撓性PCB中，有兩條可能的導(dǎo)熱通路：通過(guò)介電材料和通過(guò)Cu箔，介電材料的熱導(dǎo)率為0.11 W/(m?k)聚酰亞胺或者是熱導(dǎo)率為0.21~0.87 W/(m?k)的聚酯膜；

9）鍍層：金屬封裝和基板一般均鍍有一些材料，如Au、Ni、Cu、Ag和Sn，封裝電鍍是為了防止腐蝕，而基板電鍍是為了提高電導(dǎo)率和便于引線鍵合。

10）氣體：氣體的導(dǎo)熱性極差，當(dāng)氣體處于熱通路中時(shí)，會(huì)導(dǎo)致熱阻非常高，像He這樣的氣體的導(dǎo)熱率大概是空氣或氮?dú)獾?/span>6倍，故在某些場(chǎng)合用作導(dǎo)熱模塊基座的填充劑；
5、決定熱阻的因素：
    a. 半導(dǎo)體芯片尺寸：電子系統(tǒng)中的熱量是在半導(dǎo)體結(jié)產(chǎn)生的，結(jié)面積是決定熱阻的一個(gè)關(guān)鍵因素，同樣芯片厚度也是決定熱阻的重要因素；
    b. 芯片粘接材料及其厚度：粘接材料的熱導(dǎo)率是決定熱阻的最重要因素；
    c. 基板材料及其厚度，即基板材料的導(dǎo)熱率和基板的厚度，尤其是基板介電材料的厚度；
    d. 基板粘接材料及其厚度；
    e. 封裝材料及封裝界面。

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