封装的热控制-上课课件

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1、电子封装材料20092010学年 第二学期封装的热控制 一、电子器件热控制的重要性 二、热控制计算基础 F1、一维传导 2、固体界面的热流通 F3、对流 4、整体负载的加热和冷却 F、热阻 、串联的热阻 F、并联的热阻 F、和封装的热控制 F、自然通风的印刷电路板 F、单一印刷电路板 F、强制对流下的印刷电路板封装的热控制三、 电子器件冷却方法 F、散热器 F、热通道 F、热管道冷却 F、沉浸冷却 F、热电制冷 F、冷却方法的选择封装的热控制四 、热机械应力对封装的影响 F、芯片贴装的热机械应力 F、热疲劳 F、封装焊接点的热应力 F、印刷电路板的热应力 F、灌封树脂的热性质封装的热控制 一、

2、电子器件热控制的重要性 1、为什么要进行封装的热控制： F保障微电子器件正常工作的需要： 微电子器件总是存在电阻，工作中会发 热 热量不能及时散去，器件温度将升高 影响其功能甚至损坏器件 F微电子器件发展的需要： IC发展趋势为高集成度、小尺寸、高电 流、微小电压降 要求封装具有良好散热性能，使器件温 度稳定在可正常工作的温度之下封装的热控制 一、电子器件热控制的重要性1、为什么要进行封装的热控制： F微电子器件封装体在短时间温度急 剧升高，往往会损坏封装体： 过热使封装产生破裂、剥离、 熔化、蒸发甚至会发生封装材料的燃 烧 受冲击和振动的电子产品，温 度波动还会导致材料疲劳断裂，降低 封装的

3、机械寿命封装的热控制 一、电子器件热控制的重要性 1、为什么要进行封装的热控制： F温度升高照成封装结构破坏： 封装体由不同热膨胀系数的材料构成， 生产、测试、储存和运输过程中由于热膨胀不匹 配造成的热应力引起的破坏 使封装体中残余的热应力对封装结构造 成破坏： l封装的制造温度往往比使用温度 高，总是有一些残余的热应力存在 l低温下，该应力显得更大 l即使没有匹配的问题，在封装结 构的温度分布不均匀时也会产生热应力封装的热控制 一、电子器件热控制的重要性1、为什么要进行封装的热控制： F温度变化导致封装体失效的几种可 能机制： 焊接键合材料的机械蠕动变形 寄生的化学反应 半导体掺杂离子吸热扩

4、散 机械支撑的热疲劳等都会由于 高温而增大失效速率封装的热控制 一、电子器件热控制的重要性 2、封装热控制的温度值目标 F通常电子产品的最高允许温度为 F少数产品可到 F可靠性要求高的产品，平均半导体结的工作温 度限定在以下 F一般地，微电子器件的温度不能超过 微电子器件的封装材料在高温下强 度会降低 封装的塑料能承受的最高温度一般 为，即塑料的变形温度 另外，高于时，锡焊接点 的强度就开始降低封装的热控制 一、电子器件热控制的重要性 3、微电子器件封装的热控制要根据封装等级不同而有不同的处 理，及在不同的封装水平上根据传热机理，使用不同散热技术 ： F第一级，微电子器件的封装是芯片的封装，对

5、芯片提 供保护外壳 主要目标： l将芯片散发的热量传导到封装的表面 ，然后传导到印刷电路板上 降低半导体硅片和封装外表面之间的热阻， 是降低芯片温度的最有效方法。 为改善芯片散热性能，可在晶片键合的黏结 剂中添加钻石、银或者是其他高导热性材料 另一种方法是在芯片表面上安放金属片散热 器，同时应用增强导热性能的模塑材料及封埋导热插件封装的热控制 一、电子器件热控制的重要性 3、微电子器件封装的热控制要根据封装等级不同而有不同的处 理，及在不同的封装水平上根据传热机理，使用不同散热技术 ： F第二级封装，印刷电路板封装，它提供芯片与 芯片之间的通信 F第三级封装，主板封装，它提供印刷电路板之 间的

6、连接 F第四级封装，整个系统的整机和外壳的封装 F在级和级中，常用强制热控手段，如强制 通风系统、制冷系统、散热管、热交换器以及液体 泵封装的热控制 一、电子器件热控制的重要性 4、其他热控制技术例举 F依据技术的物理原理： 热传导 对流 辐射 相变过程 F塑料DIP封装： 加入SiO2粉增加模塑材料块的导热性 用高导热的铜合金替代低导热的合金43 做引线框架 引入封装内部热分散结构，如铝金属热 分散结构封装的热控制 一、电子器件热控制的重要性 4、其他热控制技术例举 F采用高导热的陶瓷材料做封装 高导热材料有： l氮化铝 l碳化硅 l氧化铍 用它们代替常用的氧化铝陶 瓷 F降低芯片与封装表面

7、之间的距离，缩短散热路 径封装的热控制 一、电子器件热控制的重要性 4、其他热控制技术例举 F用封装外部散热器来降低对流散热阻力 很普遍，制造更多的对流通风的 散热表面 对流通风可以是自然空气循环， 也可以在散热器上用电扇吹风 在大功率器件上，最好用直接排 热管道散热 可以将器件浸在液体介质中，或 通过高速吹风来冷却芯片 用埋藏散热管可大大地提高散热 能力封装的热控制 一、电子器件热控制的重要性封装的热控制二、热控制计算基础三种传热方式： F热传导 F对流 F辐射封装的热控制二、热控制计算基础 1、一维热传导 F在固体和静止的液体以及静态的空气媒介 当中，热的传导是通过分子间的能量交换来实现

8、的 其表达式为热传导傅里叶方程：热流热导率传导横截面积在传导方向温度梯度封装的热控制二、热控制计算基础稳定传热长度为L的介质两端温差：封装的热控制二、热控制计算基础 2、固体界面热流通：物体实际接触面积两物体热导率物体间流体热导率两物体间通过 流体接触的面积两物体之间间隙封装的热控制二、热控制计算基础3、对流 F含义： 由固体向流动的流体的传热叫 F包括两机制： 由临近的静止分子向固体表面 的热交换，与热传导一样 由于流体流通而将热量从固体 表面带走封装的热控制二、热控制计算基础3、对流 F牛顿冷却定律 设物体表面和流体间的温度差和 热流量成正比，可表示为：传热系数表面积物体表面温度流体温度封

9、装的热控制二、热控制计算基础3、对流 F热辐射 含义 l由于电磁波或者光子能 量的辐射与吸收的结果 l可通过真空或者其他对 红外光线透明的媒介传热封装的热控制二、热控制计算基础3、对流 F热辐射 热辐射波能量（特别对于波长大 于1微米）Q与发热表面和介质间的温度4 次方之差成正比：辐射系数斯蒂芬-玻尔兹曼常数两表面辐射“视因子”封装的热控制二、热控制计算基础3、对流 F热辐射 当温差很少时，等式可以表示 为：有效辐射传热系数封装的热控制二、热控制计算基础3、对流 F热辐射 当温度差较小（10K），辐射系数 近似等于自然对流传热系数封装的热控制二、热控制计算基础4、整体负载的加热与冷却 F加热（

10、一个高导热能力的内部受热 固体，如果没有外部冷却，）其升温速 率：封装的热控制二、热控制计算基础4、整体负载的加热与冷却 F冷却： 当一个固体被外部冷却，升温 会以渐近线形式趋于某个值 如已知其温度传导系数，最终 稳定温度可有牛顿冷却公式得到封装的热控制二、热控制计算基础4、整体负载的加热与冷却封装的热控制二、热控制计算基础 4、整体负载的加热与冷却封装的热控制二、热控制计算基础4、整体负载的加热与冷却 F冷却时，物体温度随时间变化： 稳定态温度热时间常数封装的热控制二、热控制计算基础 4、整体负载的加热与冷却 F由一个对流冷却的固体向四 周的热传导受到两种热阻力： 固体内部热传导阻力外表面的

11、对流热阻力封装的热控制二、热控制计算基础5、热阻 F热的欧姆定律 定义热阻为热流温度降封装的热控制二、热控制计算基础5、热阻 F封装中热的欧姆定律 也用器件结温与环境温度差来表 示不再是热流，而是器件功率jc封装内部结构，热传导 ca器件的安装和冷却技术，热对 流封装的热控制二、热控制计算基础5、热阻 F从傅立叶方程出发 一层材料的传导热阻为截面积A材料在传热方向的距离热导率封装的热控制二、热控制计算基础6、串联热阻 F具有电阻串联的形式 其热流表达式根据传热方式不同 而不同 如：封装的热控制二、热控制计算基础 将代入温差等式中，就很容易得到温度封装的热控制二、热控制计算基础7、并联热阻 F具

12、有电阻并联的形式温度和环境温度之间的总热阻可以写为封装的热控制二、热控制计算基础 8、IC和印刷板封装的热控制 F以一个实例说明，如图为贴装在主板上的带有 散热器的芯片塑料封装结构示意图封装的热控制二、热控制计算基础 8、IC和印刷板封装的热控制 F实例说明 下图为该带有散热器的芯片塑料封装的散热示 意图封装的热控制二、热控制计算基础 8、IC和印刷板封装的热控制 F实例说明 由一层材料的传导热阻表达式 从芯片界面开始依次计算出各层热阻 然后使用串联方式，计算出芯片上下两侧的热阻 在用并联方式计算出总热阻 最后通过 计算出芯片温度封装的热控制二、热控制计算基础9、自然通风的印刷板 F自然通风原

13、理： 热空气上升，冷空气下降 热传导与通道关系： l一方面热传导与通道宽度有 关 l另一方面相对细长的通道， 流体速度最高，热传导速率最大封装的热控制二、热控制计算基础9、自然通风的印刷板封装的热控制二、热控制计算基础10、单一印刷电路板 F在中等温度情况下，对于垂直的等 温表面，自然对流热传导系数可以用温 度差的函数表示F对于表面热流均匀的平面，自然对 流传热系数可以用热通量函数表示封装的热控制二、热控制计算基础11、 强制对流下的印刷电路板 F在两个热的平行板间的冷流体的流动， 会导致沿着板表面的流体动力和温度边界层 的形成 F在边界层流体区域中，自由气流的速度 和温度转变成墙壁的速度和温

14、度，流体在墙 壁的速度为零，其温度等于墙壁的温度 F在离通道进口足够远的地方，通道墙上 形成的边界层逐渐消失，变成完全的对流传 热。一般发生层流，很少出现混合与涡流的 现象封装的热控制二、热控制计算基础11、强制对流下的印刷电路板 F当强制的层流在一个长且狭窄的平行板 间流动，传热系数达到最大值：通道流体直径热导率通道周长流体截面积封装的热控制三、电子器件冷却方法 1、散热器 F原理： 热阻与传热系数和传热表 面积成反比 F热传导定律： 热流从高温向低温传导封装的热控制三、电子器件冷却方法 1、散热器 F散热器总传热 热流有效系数基础面积传热系数环境温度基底温度封装的热控制 1、散热器 F 散

15、热器特点 表面积大 基本为矩形，基底部分厚度大 于尾部厚度 形状有片状，有针状 散热片间距越来越小，铝薄片 整体弯曲后焊接，降低键合热阻 封装的热控制三、电子器件冷却方法 2、热通道 F埋藏在电路板中金属传热通道将降 低热流阻 其中，km、k1为金属与绝缘体的热导率， am为通道金属截面积所占总面积的比例封装的热控制三、电子器件冷却方法2、热通道 F增加电路板导热的一个有效 方法： F引入厚的铜金属层，可以 降低PWB板内热阻 有利于将热传输到PWB板 边缘封装的热控制三、电子器件冷却方法3、热管道冷却F含义： 是一种长距离传导大热量的 导热器件 利用相变及蒸发扩散过程来 传导热量 用在没有运动部件及恒定温 度的地方封装的热控制三、电子器件冷却方法 3、热管道冷却 F热管构成，三个部分： F蒸发：在这里吸收热量同时流体蒸发； F冷凝：在这里蒸气冷凝同时排出热量 F绝热：这一段气相和液相在中心和虹吸绳芯中 流动来完成循环，它与周围介质有明显的热交换封装的热控制三、电子器件冷却方法3、热管道冷却 F热管可以提供一个热阻非常低的路 径 一个铜管热导率400W/（m.K） 加入水流体热导率高达100000W/ （m.K） 是普通铜管的250倍 F以水为流体，直径0