本文摘要(由AI生成):
文章讨论了芯片封装热阻的影响因素,包括封装尺寸、封装材料、热源尺寸、单板尺寸和导热系数、芯片发热量及外围气流速度。封装尺寸和热源尺寸差异大时,热阻会增大;导热系数高的封装材料可降低热阻;单板尺寸和导热系数对热阻有影响,但不影响内部导热热阻;芯片发热量和外围气流速度通过提高外部换热强度来降低热阻。
从定义公式或单位可以看出,封装热阻并没有引入面积的概念,而热量的交换效率却与面积紧密相关。根据傅里叶导热定律不难理解,芯片的封装热ΘJA、ΘCA、ΘJC和ΘJB均与封装表面积和封装引脚的密度与数量成反比。面积越大,引脚越多,意味着热量往外传递的路径和总截面积越大,从而热阻相应降低。如在相同封装材料下,小外形IC封装(SOIC)热阻高于四方引脚扁平式封装(QFP)。
SOIC—Small Outline IC 小外形IC封装
QFP—Quad Flat Package 四方引脚扁平式封装
封装材料对封装热阻的影响容易理解。芯片内部的热量传递方式是导热,因此,封装材料的导热系数越高,封装热阻越低。
芯片由多种物质组成,因此使用了许多材料。根据包覆材料和基板材料,封装通常分为金属封装,玻璃封装,陶瓷封装和塑料封装四类,其宏观优缺点分别如下:
1)金属封装:军品——密封性、热传导、电屏蔽都较好,用于军工;
2)玻璃封装:可靠性高——成本高,可靠性高,耐温性强,用于军工;
3)陶瓷封装:可靠性高——陶瓷热膨胀系数与Si更加接近,且导热系数高于塑料,导致其耐温性远强于塑封,可用来做基板和封盖。
4)塑料封装:成本低,工艺简单,应用最为广泛——热膨胀系数与Si差距较大,导热系数低,耐温性较差。占据90%的市场。
近年来,由于芯片功率越来越高,芯片封装热阻成为电子元器件散热的关键控制环节之一。例如,当使用液体冷却时,由于介质移热效率很高,芯片顶部到冷板之间的热阻往往很低。这时,如果要将芯片结温控制在较低的范围,控制芯片结壳热阻是非常关键的。
Intel CPU上的金属盖
一个芯片的发热源尺寸往往比外观尺寸小很多,这就会产生扩散热阻。上图也可看出,CPU上实际Die的尺寸远小于外面看到的金属盖的大小。芯片的封装热阻中会包含扩散热阻这一项。发热源尺寸与封装尺寸之间差异越大,扩散热阻产生的效果越明显,芯片整体的封装热阻也就越高。
从热量转移的角度讲,单板实际上相当于安装在芯片背面的散热器。当单板尺寸变大或者导热系数升高时,其对芯片的冷却效果会加强,此时,芯片结到空气的热阻也会降低。但当板的面积比芯片自身面积大很多时,单板尺寸加大则不会对热阻的降低起到明显作用,因为单板离芯片越远的区域,其对芯片的冷却效率越低。另外,需要注意的是,虽然单板的尺寸和导热系数会改变结到空气热阻,但结板热阻是内部导热热阻,是不会随着单板的属性变化而变化的。
QFN封装的芯片底部PCB加装热过孔来增强PCB导热性能,减小元器件结板热阻
芯片发热量高时,通常情况下芯片温度会升高,此时,如果外部环境温度保持恒定,芯片外表面的自然对流换热强度和辐射换热强度都会提高,从而使得结到空气的热阻降低。如果芯片不是自然散热,而是使用风扇等部件提高外围的气流速度,显然会使芯片温度显著降低,从而大大降低ΘJA。可见,芯片发热量和外围气流的速度对热阻的影响原因,都是由于其加强了芯片外部的换热强度。结壳热阻和结板热阻都是芯片内部的导热热阻,这两个值并不会随着外部环境的变化而变化。
作者简介:陈继良,仿真秀专栏作者,文章节选自机械工业出版社发行,陈继良老师编著的《从零开始学散热》。