热设计工程师和芯片封装工程师都知道，芯片尺寸虽然已经较小，但实际上芯片内部的发热点尺寸更小。我们外观能看到的，都是芯片的封装外壳。而封装外壳将导致封装热阻。无论我们使用什么方式，封装热阻都不可能被消除。可以举这样一个例子。
假设某芯片结壳热阻Rjc = 1C/W，结板热阻Rjb = 10C/W，即热量可以更容易地向上壳方向转移。芯片通常用在室温环境25C下。
如果芯片的发热量为100 W，而其结温要求为100C，那么，热设计成本将会非常高昂。因为由于封装热阻的存在，芯片的固有温升将达到100C，室温下，必须使用制冷设备将芯片表面的温度控制到0C以下，才有可能保证芯片的正常工作。
那么，大家想一想，对于这类芯片，更有效的散热优化方法是什么呢？
显然是降低封装热阻。我们先来了解封装的意义。
芯片的封装包含但不局限于如下三个方面的意义：
a) 固定引脚系统，实现芯片与外部的数据信息交换
芯片不能单独工作，它必须与外部设备进行连接和数据交换。封装最基本的作用就体现在这里。由于芯片内部的金属线极细（通常小于1.5微米，多数情况下只有1.0微米），不可能将芯片内的引脚直接与电路板连接。通过封装，可以将外部的引脚用金属铜与内部的引脚焊接起来，芯片便可以通过外部的引脚间接地与电路板连接以起到数据交换的作用。外部引脚的材质和形式需要根据芯片的具体功能和使用场景来选用。通常情况下，芯片内部的引脚和焊接点会被埋藏在基体中，外观上看到的引脚，全部是外部引脚。
b) 保护芯片，避免其受到物理、化学等损伤
芯片的封装材料可以保护芯片免受微粒、湿气和机械力等外界因素对它的损害。实现物理性保护的主要方法是将芯片固定于一个特定的芯片安装区域，并用适当的封装外壳将芯片、芯片连线以及相关引脚封闭起来，从而达到保护的目的。应用领域的不同，对于芯片封装的等级要求也不尽相同。
c) 增强散热
根据热力学第二定律，所有半导体产品在工作时都会产生热量，而热量会导致芯片温度升高。当温度达到一定限度时，芯片的性能就会收到影响。因此，封装在满足电气、保护功能之外，还需要考虑散热特性。当前，无论是自然散热、强迫对流散热还是液冷散热，芯片的热量都是从结点发出，经由封装材料散逸到低温介质中。封装材料的导热和均热特性对芯片的散热性能有关键影响。随着芯片功率密度的加速提升，芯片封装在散热特性方面的研究越来越多。
封装热阻的优化，需要充分考虑产品的电气和物理防护性能。后面将结合一些产品的封装形式，来阐释近年来芯片封装演进在散热设计上的考量。
更多内容干货，请关注热设计公众号查阅。
标签： 点击： 评论:
