封装的热控制-上课课件

电子封装材料2009－2010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1、一维传导2、固体界面的热流通3、对流4、整体负载的加热和冷却５、热阻６、串联的热阻７、并联的热阻８、ＩＣ和ＰＷＢ封装的热控制９、自然通风的印刷电路板１０、单一印刷电路板１１、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１、散热器２、热通道３、热管道冷却４、沉浸冷却５、热电制冷６、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１、芯片贴装的热机械应力２、热疲劳３、封装焊接点的热应力４、印刷电路板的热应力５、灌封树脂的热性质封装的热控制一、电子器件热控制的重要性1、为什么要进行封装的热控制：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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：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：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：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低温下，该应力显得更大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：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通常电子产品的最高允许温度为８５℃少数产品可到１１０～１２５℃可靠性要求高的产品，平均半导体结的工作温度限定在６０℃以下一般地，微电子器件的温度不能超过８０～１００℃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１１５℃，即塑料的变形温度另外，高于１００℃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：第一级，微电子器件的封装是芯片的封装，对芯片提供保护外壳主要目标：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：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第三级封装，主板封装，它提供印刷电路板之间的连接第四级封装，整个系统的整机和外壳的封装在３级和４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依据技术的物理原理：热传导对流辐射相变过程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采用高导热的陶瓷材料做封装高导热材料有：氮化铝ＡｌＮ碳化硅ＳｉＣ氧化铍ＢｅＯ用它们代替常用的氧化铝Ａｌ２Ｏ３陶瓷降低芯片与封装表面之间的距离，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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：热传导对流辐射封装的热控制二、热控制计算基础1、一维热传导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的其表达式为热传导傅里叶方程：qdTkAdx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：12qLTTkA封装的热控制二、热控制计算基础2、固体界面热流通：12121222ccfvTTTTqkAkAkA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含义：由固体向流动的流体的传热叫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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：()sfqhATT传热系数表面积物体表面温度流体温度封装的热控制二、热控制计算基础3、对流热辐射含义由于电磁波或者光子能量的辐射与吸收的结果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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：441212()QATTF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热辐射当温差很少时，等式可以表示为：12()rQhATT3212124()rhFTT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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加热（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：pdTqdtmc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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冷却时，物体温度随时间变化：/()(0)(1)phAtmcssTtTTe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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外表面的对流热阻力封装的热控制二、热控制计算基础5、热阻热的欧姆定律定义热阻为thTRq热流温度降封装的热控制二、热控制计算基础5、热阻封装中热的欧姆定律也用器件结温与环境温度差来表示jajaTTq不再是热流，而是器件功率θjc封装内部结构，热传导θca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从傅立叶方程出发一层材料的传导热阻为thLRkA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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Ｒｔ代入温差等式中，就很容易得到温度Ｔ１封装的热控制二、热控制计算基础7、并联热阻具有电阻并联的形式温度Ｔ１和环境温度Ｔ之间的总热阻Ｒ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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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实例说明由一层材料的传导热阻表达式thLRkA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自然通风原理：热空气上升，冷空气下降热传导与通道关系：一方面热传导与通道宽度有关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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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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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度，流体在墙壁的速度为零，其温度等于墙壁的温度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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：4hfekd4ewAdP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原理：热阻与传热系数和传热表面积成反比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散热器总传热()fbaqhATT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散热器特点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埋藏在电路板中金属传热通道将降低热流阻1(1)zmmmkkaka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增加电路板导热的一个有效方法：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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热管构成，三个部分：蒸发：在这里吸收热量同时流体蒸发；冷凝：在这里蒸气冷凝同时排出热量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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以水为流体，直径0.6cm长15cm的水平循环热管可以传导热量300W而蒸发端到冷凝端只有2~3℃的温差封装的热控制三、电子器件冷却方法3、热管道冷却热管的工作部分由蒸汽作为介质，重量很轻，大约几克但电子元件和热管间的界面热阻将是阻碍热管工作效率的关键发展和制造可靠的热管非常重要热管