第五讲-热设计及工具使用

1、第五讲-热设计及工具使用2022年2月11日星期五集成电路封装ECAD2第一部分 热设计概念 o 热设计的必要性热设计的必要性n 极热与极冷都会对电路造成负面影响n 温度从热到冷，然后又从冷到热的转变对电路同样造成负面影响n 一般认为，温度每升高10，失效率也增加一倍，阿伦尼斯经验方程：1. 元器件的失效率与其结温成指数关系，性能则随结温升高而降低)11(exp21ba21TTKEttAT2022年2月11日星期五集成电路封装ECAD3第一部分 热设计概念o 热设计的两个主要目的热设计的两个主要目的n 预计各器件的工作温度，包括环境温度和热点温度n 使热设计最优化，以提高可靠性 2022年2月

2、11日星期五集成电路封装ECAD4第一部分 热设计概念o 热设计的基本问题热设计的基本问题n 芯片功耗散发的热量决定的温升，也决定了任一给定结构的工作温度n 热量是以传导、对流和辐射传递出去，每种传热形式所传递的热量与其热阻成反比n 在稳态情况小，存在热平衡n 热量、热阻和温度是热设计中的重要参数n 冷却系统应该是最简单有最经济的n 权衡热设计与其他设计之间的关系2022年2月11日星期五集成电路封装ECAD5第一部分 热设计概念o 热传递的基本准则热传递的基本准则n 凡有温差的地方就有热量的传递1. 热量传递的三种基本方式：传导、对流和辐射2022年2月11日星期五集成电路封装ECAD6第一

3、部分 热设计概念o 传导传导n气体的导热是气体分子不规则运动时相互碰撞的结果；金属导体中的导热主要靠自由电子的运动完成；非导电固体中的导热是通过晶格结构的振动来实现；液体中的导热主要依靠弹性波。T1T2T1 T2Heat FlowQ = -kA(DT/Dx)Q 热流量，W；k导热系数，W/(m)；A 垂直于热流方向的横截面面积，m2；DT/Dxx方向的温度变化率，/m。负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反。2022年2月11日星期五集成电路封装ECAD7第一部分 热设计概念o 对流对流n 可分为自然对流和强迫对流两大类n 对流换热采用牛顿冷却公式计算 Q = hA(tw-tf)h 对流换

4、热系数，W/(m2)；A 对流换热面积，m2；tw 热表面温度，；tf 冷却流体温度，。Surface T1Heat FlowT1 T2Moving Fluid T22022年2月11日星期五集成电路封装ECAD8第一部分 热设计概念o 辐射辐射n 辐射能以电磁波的形式传递辐射能以电磁波的形式传递n 任意物体的辐射能力可用下式计算任意物体的辐射能力可用下式计算Surface T1Surface T2Q = A 0 T4 物体的表面黑度；0 斯蒂芬玻尔兹曼常数，5.6710-8 W/(m2K4)；A 辐射表面积，m2；T 物体表面的热力学温度，K。2022年2月11日星期五集成电路封装ECAD9

5、第一部分 热设计概念o 理解热电模拟法及模拟网络理解热电模拟法及模拟网络n 将热流量（功耗）模拟为电流；温差模拟为电压（或称电位差）；热阻模拟为电阻，热导模拟为电导；对于瞬态传热问题，可以把热容模拟为电容。这种模拟方法适用于各种传热形式，尤其是导热。1. 利用热电模拟的概念，可以解决稳态和瞬态的传热计算。恒温热源等效于理想的恒压源。恒定的热流源等效为理想的电流源。导热、对流和辐射换热的区域均可用热阻来处理。热沉等效于“接地”，所有的热源和热回路均与其相连接，形成热电模拟网络。2022年2月11日星期五集成电路封装ECAD10第一部分 热设计概念o 传热路径传热路径n 从实际传热观点而言，热设计

6、时应利用中间散热器，它们一般属于设备的一部分，通常为设备的底座、外壳或机柜、冷板、肋片式散热器或设备中的空气、液体等冷却剂。n 热流量经传热路径至最终的部位，通称为“热沉”，它的温度不随传递到它的热量大小而变，即相当于一个无限大容器。热沉可能是大气、大地、大体积的水或宇宙，取决于被冷却设备所处的环境。2022年2月11日星期五集成电路封装ECAD11第二部分 热设计方法及工具介绍o 热设计简介热设计简介n 集成电路封装的热设计主要包括对芯片、封装及其冷却系统进行热分析，通过计算、模拟和测量获得芯片温度场分布及其极值点，反馈至布局布线和热设计过程中，提供具体的改进方案，形成一种设计、分析、再设计

7、、再分析的设计流程，最终使封装的热稳定性得以改善。 1. 目前热分析所采用的方法主要有实验分析法和数学分析法。2022年2月11日星期五集成电路封装ECAD12第二部分 热设计方法及工具介绍o 实验分析法实验分析法 实验分析法通常是根据红外热像仪等分析仪器直接测量实际样品的表面温度，从而得出封装热阻来评价封装的热性能。 该方法通常只能确定封装表面和内部有限个点的温度，难以探测器件内部（尤其是芯片内部）的温度，对复杂的三维热场分布问题适应性较差，而且是在样品完成后进行，这样使得整个分析过程周期长，同时对测量设备要求较高并且具有破坏性、费用高。2022年2月11日星期五集成电路封装ECAD13第二

8、部分 热设计方法及工具介绍o 数学分析法数学分析法 数学分析法是依据封装设计的物理参数和性能要求，建立基于物理原型的热分析模型，并借助计算机，利用有限元等方法对热分析模型进行分析和求解，预估产品的热性能。2022年2月11日星期五集成电路封装ECAD14第二部分 热设计方法及工具介绍o 热分析工具介绍热分析工具介绍AutoTHerm: MentroGraphics公司的2D热分析软件，主要进行PCB/MCM热设计，与其Boardstation布线工具融为一体。Flotherm: Flomerics公司的3D热设计软件，主要应用在集成电路封装、PCB板，空间散热等方面，全球使用效80%。1.An

9、sys、Flopack工具2022年2月11日星期五集成电路封装ECAD15第三部分 芯片封装热模型的建立o PBGA封装模型的建立封装模型的建立nPBGA封装特点?o 有机基片Organic substrateo 使用焊球(Solder balls)作为二级互联n主要应用: ASICs, 内存, 图形显示,芯片组,通讯等.nPBGA封装优缺点?o I/O密度高；o 基片材BT具有较好的电性能；o 加工工艺类似PCB板，成本低廉o 非气密封装,不适合于长时工作的芯片或军用芯片o Die与基片(Substrate)间的CTE不匹配o 如功耗大于2W，则可能需要加强散热手段2022年2月11日星期

10、五集成电路封装ECAD16第三部分 芯片封装热模型的建立o PQFP封装模型的建立（封装模型的建立（1）n Plastic Quad Flat Pack (thin version called TQFP)n 常用于逻辑芯片, ASIC芯片, 显示芯片等n 封装外管脚(Lead), 表面贴装Plastic EncapsulantExternal leadframe (gull-wing leads)2022年2月11日星期五集成电路封装ECAD17第三部分 芯片封装热模型的建立o PQFP封装模型的建立（封装模型的建立（2）n成熟的封装类型，可采用传统的加工方法；n成本低廉；n适用于中低功耗且

11、中等数目I/O(50-300)，n热阻高，不采用Heatslug等附加散热手段的条件下功耗很难突破2Wn管脚间距难以做得过小(难于小于0.4mm)，相对于BGA封装I/O 数目少Epoxy overmoldCu / Alloy 42 leadframeAu bond wireCu / Alloy 42 tie barsCu / Alloy 42 die flag2022年2月11日星期五集成电路封装ECAD18第三部分 芯片封装热模型的建立o QFN封装模型的建立封装模型的建立n主要用于替换引脚数小于80的引线装芯片 (主要是 TSOP and TSSOP) n尺寸较小，同时相对于TSOP/TSSOP散热性能好nTheta-JA 通常只有 TSSOP芯片的一半左右 n主要传热路径：Die Die Attach Pad Exposed Pad PCBn次要传热路径：Lead(最好各个管脚单独建出)nPCB板下(Exposed Pad下方)通常添加热过孔以加强散热Thermal Vias in PCBThermal Land in PCBDieDie Attach PadExposed PadLeads (Intern