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标题: MCM器件的热设计方法 [打印本页]

作者: 龙城 时间: 2011-5-1 09:27
标题: MCM器件的热设计方法
在当今的电子产品中，多芯片模块（Multichip Modules 简称 MCM）的应用正愈来愈广泛。它在缩小电子产品体积，提高产品性能方面起到了重要作用。但对组装设计师而言，却提出了严酷的热设计问题。因为在与常规的单芯片相同的面积上，MCM内封装了许多集成电路。MCM器件中的热应力来自于两方面，即来自MCM模块内部和MCM模块所处的外部环境所形成的热应力，这些热应力会影响到器件的电性能、工作频率、机械强度和可靠性。因此，为了能够使器件发挥最佳的性能以及具有高可靠性，从而保证整个产品的高可靠性，对热设计工作应予以高度重视。

热设计面临的问题

电子设备在制造、运输、储藏和工作中，面临着热应力的冲击，其中有些应力是准静态的，有些是瞬态的，还有一些是循环的。下面举例说明：

高温储藏和操作

电子产品在许多应用场合具有很高的环境温度，常规所提供的温度范围能满足一般电子设备的需求，但是在军事上和工业上的应用有时很恶劣，有时要达到100℃或者更高的环境温度。此外，在使用过程中电压偏离的现象也加速了失效的进程。

大功率工作

较大的功率密度会导致较高的结温，它降低了电子产品的性能和可靠性，这甚至能够在相对较冷的环境中产生。例如：大功率办公用电子设备在办公室环境中工作，也可能产生较高结温。大功率状态下工作要求结点至机壳具有较低的热阻。另外，机壳至周围环境要具有良好的热传递，解决方式为加散热片，强迫空气冷却以及液体冷却。

温度交替

温度交替发生在电子设备的移动过程中，例如当电子设备在两处不同环境温度的场合之间移动时；当在发动机机箱中，局部的热量发生时；以及在阳光直射下的电子设备移至阴影处，因环境温度发生变化时。

功率交替

功率交替能够直接导致温度交替发生，但是在一般情况下，在不同的时间和空间中，有着不同的温度分布。在功率交替中，热量是由封装的集成电路块产生的。通过热传导和对流散发出来。而在温度交替中，热量是由周围环境所产生的。功率交替发生在开始工作和停止工作期间，发生在工作方式改变或者在新型的功率MCM器件中，此外当功率器件被触发时也会发生功率交替。

热冲击

在温度变动和温度的正常值发生变化时，如果此刻温度瞬态的变化非常剧烈，那么热冲击现象就发生了，但这些常常是孤立的偶然事件。

MCM器件的热设计

MCM器件能够满足从专用的通信装置至巨型计算机的广泛领域的应用需求。MCM器件可以分为三大类：MCM-L(层压绝缘)、MCM-C（陶瓷绝缘）和MCM-D（沉积绝缘）。

一般情况下，MCM-L 从密度上来看是较低的，它的热性能和电性能较差，但是它们的价格非常便宜。MCM-C 的工艺技术在军事装备和计算机设备中有着广泛的应用，它具有适中的价格体系，但是就技术成熟性而言，价格大幅度地降低，以及进一步提高性能的机会将不会太大。MCM-D 在MCM 器件家族中一般是最为昂贵的，它能够提供最佳的互连密度，从而形成较高的工作速度和较小的尺寸，通过采用新的制造方式将有助于在不久的将来进一步降低MCM-D 的价格。

MCM 器件的热设计将有助于增强MCM器件的性能和可靠性，绝大多数的IC器件的最高工作频率受到最高结温的限制。许多模拟电路的关键性能参数随温度而变化，这些变化能够通过限定最高温度而使其减小至最低程度。根据结温的变化，IC的可靠性呈现指数级降低。温度的变化导致材料产生应力。特别是在界面处，它能导致器件的破坏和失效。

MCM器件必须被维持在最低的结温上，从而降低由于热循环而产生的应力聚集。MCM器件最大的结温是环境温度、热传导率和内部功耗的函数，其表达式为：

Tj=Ta+P Rjc+P Rca

上式中：
Tj表示器件的结温
Ta表示环境温度
Rjc表示器件结点至壳体的热阻
Rca表示器件壳体至环境的热阻

在绝大多数的情况下，器件内部的功率耗散是由IC的功率耗散所决定的。通过减少寄生电容，使用小型的具有较小功率输出的缓冲装置，以及具有较大电阻设计的模拟系统，MCM的功率耗散可能较低。

在MCM器件的热设计中，结点至器件壳体的热阻要加以最大限度地控制。MCM器件功率的增加，导致发热密度的增加，由于截面积的减小，导致热阻的增加。然而一些MCM器件使用导热材料作为散热器，导热材料降低热阻的效果是非常明显的。一般来说这些材料的热传导性能比起那些在传统PCB中使用的要好。

器件壳体至周围环境的热阻，取决于将热量从MCM器件上散发至周围环境中所使用的方法。这些方法包括自然对流、强迫空气对流、冷板、热管和液冷。在所有这些方法中，来自器件壳体的热量被传递至一个中介物上，然后通过中介物将热量从元器件上散发掉。

MCM器件壳体温度的改变，无论是快速还是平缓，是循环往复还是维持不变，都将影响到MCM器件的完整性和可靠性。在MCM器件中，在所有材料的界面上均会因温度的变化而产生应力，最终这反复的应力所引发的热疲劳将导致材料发生裂缝。

在热应力中由于具有时间因子，因而是一个非线性的现象。但是通过确定的每单位温度变化在线性尺寸上所引起的改变，即热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion 简称CTE），热应力常常被假定为是不随时间变化的线性现象。

应力的大小和它对系统的影响取决于一些参数，其中包括相关的强度极限、弹性变形和各种各样材料的厚度，焊点对热应力特别敏感，因为工作和储存温度可能非常接近它们的焊接温度，热应力可能引起裂缝、空隙和电接触失效。

满足MCM器件热评估的常用方式包括满足热冲击和热循环测试的应用标准，近来热模拟程序也已经可以获得。通常上述两项技术被共同用来消除器件的内在缺陷。

在MCM器件设计中有一些热设计的选择方案，可用于增强器件的热性能和可靠性。一种切实可行的方式就是降低结点至壳体的热阻。绝大多数的MCM器件热量的排出不是从基片的上方，就是贯穿基片后散发出来，下面分别谈谈这两种热量散发的特点:

基片上方的热量散发

若MCM器件采用基片上方的方式排出热量，一般是采用在IC器件背后倒装固定有散热"活塞"的IC器件，这种方式效率很高，但是费用昂贵，其最主要的优点是将电路和热设计措施相分离，而最主要的缺点是增加了复杂程度，每块芯片需要一个"活塞"，这就增加了费用。

贯穿基片的热量散发

MCM器件采用贯穿基片的方式排出热量，一般是热量先通过IC然后才到基片。这种方式与基片上方散热相比较而言，价格便宜。但是由于它们的热性能是和机械、电性能相关的，所以有一个综合折衷考虑的问题。
采用基片上方散鹊腗CM器件在大型计算机中是常用的。而采用贯穿基片散热的MCM器件常常被用在对价格颇为敏感的设备中。图1示出了MCM器件采用基片上方（右）和贯穿基片（左）冷却时的热流方向。

图1 基片的冷却方式(略)

采用贯穿基片散发热量的MCM器件，要求在电性能、机械性能和热性能之间进行折衷考虑。导热率通常为一股热流通过IC 和基片至"背部"或者散热器的一个三维问题。总的导热性能取决于IC和MCM外表面之间的材料厚度及导热率。其传热通道中包含导热和绝缘层、管芯的连接材料、外壳、散热片和基座的基片材料。

能否选好基片材料是一个颇为关键的问题，因为它将影响到电性能、机械性能和价格。所使用的常规标准材料包括适用于MCM-L 的有机层压材料（FR-4、聚酰亚胺等）、适用于MCM-C 的氧化铝以及适用于MCM-D 的氧化铝或者硅。

有机层压材料的导热率较低，不能用于具有较大功率的MCM器件。氧化铝的导热率中等，而相比之下硅的导热率较好。对于MCM-D器件而言，绝缘薄层的热阻可能远远高于实际基片的热阻。在许多情况下，热通道能够通过低热导率层而形成，以求达到较低的总热阻（见图2所示）。图2表示一块MCM-D 基片能够将管芯与传热通道相连接（右）和分离（左）。

图2 传热通道的形成(略)

在未来的MCM器件中，一些具有更加良好导热特性的材料可能获得快速的发展。为了能够满足高性能、大功率电子设备的需要，氮化铝的应用可能将超过氧化铝，以满足MCM-C 的使用要求。因为氮化铝能够提供良好的导热率，并且它具有与硅材料颇为接近的热膨胀系数（CTE）。相对而言，氮化铝材料价格比较昂贵，因此不大可能进入对费用问题较为敏感的应用领域。钼具有较高的导热率和适中的热膨胀系数（CTE），它能用于MCM-D器件中，它的导电性允许基片同时充当接地面。它在制造时所采用的技术要求类似于硅，它的价格与氧化铝比同样显得较贵，它能够形成较大的尺寸规格。

控制热量的另一个有效方式是降低壳体至环境的热阻，将热量从MCM器件的壳体传递到周围环境的典型做法是热传导（例如液体冷却）或者对流（例如空气冷却），液体冷却非常有效但是费用昂贵，自然对流（例如受热空气在器件上方垂直上升）或者强迫空气冷却（例如风扇）是除了高性能MCM器件以外最普遍采用的冷却方法。为了能够最大限度地达到热对流的效果，可以采用散热片或者翼片，这甚至对廉价的MCM器件也是如此。

在对MCM器件进行散热的技术中，强迫空气冷却热交换器作为综合风道和散热片设计将获应用，其中一项技术是将MCM器件安置在一种夹层叠加的结构之中（MCM器件和热交换器相互交错）。下面着重介绍一种由荷兰Electronic Products 公司研究开发的热交换器，该热交换器包含两种综合功能的结构，它们是具有凹槽的散热片和形成风道的散热片。散热片以锯齿形形状位于凹槽的顶部，它能给通过MCM器件的冷却空气进行均匀的分配。该通道为了满足空气流动的需要，被交替地连接至热交换器的入口或出口处，强迫气流通过冷却结构的小型狭长条，该结构实现了热流密度的高值，对低的空气潜热予以忽略。

图3表示这种具有入口和出口管道的完整的热交换器，该热交换器具有一扁平的顶部和底部表面，以满足对MCM器件的基片或元器件的冷却。在使用时它要接上空气的进气口管子和出气口管子。图4表示该热交换器的内部结构，其中具有大量的凹槽散热器基座，以及与每个凹槽间距相适应的锯齿形状的散热片。图4和图5显示出了空气是怎样通过该组件的，冷却空气从热交换器的一端进入，流过凹槽的凹陷处，从而将散热片上的热量带走，空气气流的入口在下部，在另外一端气流沿着凹槽/通道区域排出去。

图3 完整的热交换器(略)
图4热交换器的内部结构(略)
图5 热交换器的凹槽通道区域(略)
图6 具有散热片的PQFP(略)

采用自然对流冷却是最便宜的，常常用于要求高可靠性的设备中，例如无线电通信设备，它避免了昂贵的费用和常常影响到设备可靠性的风机。在众多的设计因素中，令人感兴趣的限制因素之一是噪声控制，而它往往是在机箱内部的风机所产生的湍流而引起的，采用了自然对流冷却，就避免了这一现象的产生。在台式电脑中风机的使用非常普遍，它能良好地散发热量，因为IC的可靠性一般优于机械部分，所以这样做主要是为了能够满足性能要求，而不是高可靠性。

在MCM器件中热管理的另一个主要方面是预防由应力引起的相关失效，这就要求人们仔细地设计MCM器件的工艺过程，以及它对材料选择所产生的影响。低应力材料和相邻材料之间的热膨胀系数的匹配是非常重要的。此外，IC、基片和壳体的热膨胀系数的密切吻合也是非常重要的。

结束语

MCM器件在未来的发展过程中将会愈来愈多地在器件中包含散热通道或嵌条，这样就能够在IC和散热片之间、或者与周围环境之间，甚至在廉价的塑料封装器件中形成高导热率的通道。图6显示了一种由美国AMMI公司开发的、满足MCM器件热设计要求的功率塑料方型扁平封装器件（PQFP）的横截面图。

未来的MCM器件将会呈现多种不同的流行形式，这将取决其具体的应用场合。在追求高速和高可靠性的目标时，热设计将可能作为一项重要的设计内容进入MCM器件中

作者: 哪根葱 时间: 2011-5-1 09:27

资料很好，就是没图，楼主能否更新下，谢谢

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