原创 第十章 热管理材料及系统

 第十章 热管理材料及系统

      公司最近研发中心及营销中心都在搬迁，大概有近一个月没有学习了，惭愧惭愧，尤其是这最后一章的学习笔记的内容拖到了今天，呵呵，不过总算完成了！
1、任何电气器件及电路都不可避免地伴随有热量的产生，要提高电子产品的可靠性以及电性能，就必须使热量的产生达到最小程度，要管理这些热量就需要了解有关热力学的知识并深入掌握相关的材料知识：
a.温度对电路工作的影响：升高一个有源器件的温度通常会改变它的电学参数，如增益、漏电流、失调电压、阀电压和正向压降等等；改变无源元件的温度通常会改变它们的数值；所以设计人员需要对元器件进行热模拟和电模拟；
b.温度对物理结构的影响：温度膨胀系数TCE和热膨胀系数CTE；

2、热管理基础：
a.热力学第二定律：热总是自发地从较热的区域流向较冷的区域；
b.传热机理：传导、对流和辐射；
■热传导是通过固体、液体和气体或两个紧密接触的介质之间流动的过程；
■对流是两个表面间由于流速不同而导致的热能传输；
■辐射式通过电磁辐射传热的，主要发生在红外波段（0.1~100um）；温度为0K以上的所有物体都会发生热辐射；温度辐射体可分为： 黑体（灰体和选择性辐射体）和非黑体；

3、封装概述：基于以下四个原因需要封装半导体：为半导体提供机械支撑、为半导体提供下一级封装的互连、为半导体提供环境的保护、为半导体产生的热量提供一种耗散途径；常见的封装有单芯片封装（SCP）、多芯片模组（MCM）、系统级封装（SIP）、多个芯片封装（FCP）以及板级封装；

4、封装材料：
1）半导体：
a.Si和Ge：硅的导热率150W/(m?k)、锗的导热率77W/(m?k)；
b.化合物半导体：SiGe 150W/(m?k)、SiC 155W/(m?k)、GaAs 45W/(m?k)、InP 97W/(m?k)、GaP 133W/(m?k)、GaSb 33W/(m?k)、  GaN 16~33W/(m?k)、InAs 35W/(m?k)、InSb 19W/(m?k)；

2）芯片粘接材料：可以分为两大类：软和的硬的，软粘接剂包括有机物、聚合物和铅基钎料，硬粘接剂包括金基共晶钎料（AuSi、AuGe、AuSn）、银基钎料（Sn96）和掺Ag玻璃；
a.AuSi共晶焊：共晶温度为370℃，导热率为27 W/(m?k)；
b.软钎焊：AuSn（共晶温度为280℃ 导热率57 W/(m?k) CTE为15.9ppm）、AuGe（共晶温度为361℃导热率44 W/(m?k) CTE为13.4ppm）和Sn96（共晶温度为221℃导热率33 W/(m?k) CTE为33.2ppm）；
c.掺Ag玻璃：由约60%的片状Ag粉、20%的玻璃和20%有机粘结剂（在工艺过程中会完全烧毁）组成，其热导率约为60~80 W/(m?k)，典型工艺温度为400~420℃;
d.有机粘接剂：填充有贵金属的聚酰亚胺、氰酸酯和环氧树脂被广泛用于芯片粘接，Ag是最常用的填充材料，特定应用中Au和Cu也可用作填充材料，为提高导热率可加入例如B3N4、AlN、Al2O3和CVD金刚石作为填充物；另外有机粘接剂可分为热固性和热塑性两种；

3）基板及金属化：基板可以是陶瓷、带有电绝缘材料或有机物的金属；
a.氧化铝（Al2O3）：导热率为12~35 W/(m?k)，与纯度相关；CTE为6.3ppm（25~400℃）；
b.氧化铍（BeO）：导热率为248 W/(m?k)；CTE为6.4ppm（25~400℃）；需要注意的是Be化合物的粉尘会引起慢性Be病（CBD），称为铍中毒；
c.氮化铝（AlN）：导热率为170W/(m?k)；CTE为4.7ppm（25~400℃）；一个明显缺点是在高温下与水接触会分解成无定形的氢氧化铝；
d.低温共烧陶瓷（LTCC）：是DuPont公司1985年商品化的一项厚膜工艺技术，其热导率范围为2.0~4.4 W/(m?k)，CTE为4.5~8.0ppm，取决于制造商和生瓷带的具体成分；LTCC中导热通孔的使用时提高热导率的标准方法；
e.薄膜多层基板：用于制造多芯片模块（MCM-D），其总热阻由串联的两个热阻组成，多层薄膜部分和支撑材料部分，另外设计者也可以使用导热通孔阵列提高有效热导率；
f.钢基板：用钢上介电材料（DOS）对不锈钢进行绝缘处理，例如Heraeus公司的Cermalloy GPA98-047的热导率为4.3 W/(m?k)；
g.CVD金刚石：合成金刚石或化学气相淀积CVD金刚石是一种热导率非常高的材料，其热导率大于1300 W/(m?k)，故既可用作基板也可用作散热片；
h.绝缘金属基板（IMS）：既可用作基板也可用作电路卡，它们是单面包覆多层金属的板，绝缘金属基板是排列在18in×24in的板上制备的，所以是FR-4印制电路卡的廉价、高导热率的替代物；其基板一般为Al，也可以是Cu、Cu-Invar-Cu、Cu-Mo-Cu或钢，并起到热沉的作用，介电材料为聚合物，厚度在击穿电压和热阻之间权衡后选择；
i.印制电路基板：在MCM-L（层压板）应用中，多层基板是用有机材料（如FR-4和聚酰亚胺）制备的；

4）基板粘接：在多芯片应用中通常使用一块基板，将基板粘接到下一级组件（不管是封装、电路卡还是热沉）上时需要粘结介质，通常使用聚合物材料，除非基板背面需要接地，一般聚合物材料是不导电的；

5）各类封装的材料和导热通路：
a.非气密封装：塑封微电路（PEM）的主要热通路是通过封装的底座和引线到达电路卡组件，次要的热通路是从管芯通过塑料传到空气中；
b.气密封装：对于高可靠性和恶劣环境的用途，使用陶瓷基板或金属底座的气密封装，气密封装中的主要热通路为通过底座的传导，次要而且很小的一条热通路是对流

6）热界面材料：空气的导热率是0.026W/(m?k)，是热的不良导体，必须从结到热沉的热通路中加以消除。消除的技术是施加机械压力压平表面或用高导热率的材料进行填充，常用的填充材料包括钎料、导热脂、橡胶垫、导热粘接剂、聚酰亚胺膜、相变材料、云母垫、粘接带、陶瓷片、下填料以及聚合物复合材料（纤维）。

7）印制电路板（PWB）：在电子封装中的应用主要有两个目的：互连和传热，可分为刚性和挠性两大类，其中刚性PCB可以有多种结构，包括单面、双面和多层的，从热管理方面考虑均可归为一起，它们的热阻与树脂材料的热导率和数值厚度成正比。一般的PCB板的CTE为15~20ppm，而导热率根据材质不在0.2~0.9 W/(m?k)之间。提高导热率的方法有导热通孔、微导通孔（积层技术）、以及芯片与热沉直接粘接等；

8）挠性PCB：是由薄且挠性的介电材料与韧性的，制有图形的Cu箔黏合而成，在挠性PCB中，有两条可能的导热通路：通过介电材料和通过Cu箔，介电材料的热导率为0.11 W/(m?k)聚酰亚胺或者是热导率为0.21~0.87 W/(m?k)的聚酯膜；

9）镀层：金属封装和基板一般均镀有一些材料，如Au、Ni、Cu、Ag和Sn，封装电镀是为了防止腐蚀，而基板电镀是为了提高电导率和便于引线键合。

10）气体：气体的导热性极差，当气体处于热通路中时，会导致热阻非常高，像He这样的气体的导热率大概是空气或氮气的6倍，故在某些场合用作导热模块基座的填充剂；
5、决定热阻的因素：
a.半导体芯片尺寸：电子系统中的热量是在半导体结产生的，结面积是决定热阻的一个关键因素，同样芯片厚度也是决定热阻的重要因素；
b.芯片粘接材料及其厚度：粘接材料的热导率是决定热阻的最重要因素；
c.基板材料及其厚度，即基板材料的导热率和基板的厚度，尤其是基板介电材料的厚度；
d.基板粘接材料及其厚度；
e.封装材料及封装界面。