《热设计及工具使用》PPT课件

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1、第一部分热设计概念随着集成电路芯片功率的不断增加和封装体积的不断减少，电子元件的功耗和发热率迅速增加，致使元器件的散热问题成为阻碍电子技术继续向前发展的一个至关重要的问题，过高的温度会导致集成电路和封装失效。据研究表明，电子器件的可靠性不高的主要原因之一是热设计不合理。8/23/20211集成电路封装ECAD第一部分热设计概念热设计的必要性极热与极冷都会对电路造成负面影响温度从热到冷，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：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8/23/20212集成电路封

2、装ECAD第一部分热设计概念热设计的两个主要目的预计各器件的工作温度，包括环境温度和热点温度使热设计最优化，以提高可靠性8/23/20213集成电路封装ECAD第一部分热设计概念热设计的基本问题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在稳态情况小，存在热平衡热量、热阻和温度是热设计中的重要参数冷却系统应该是最简单有最经济的权衡热设计与其他设计之间的关系8/23/20214集成电路封装ECAD第一部分热设计概念热传递的基本准则凡有温差的地方就有热量的传递热量传递的三种基本方式：传导、对

3、流和辐射8/23/20215集成电路封装ECAD第一部分热设计概念传导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>T2HeatFlowQ=-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/Dx——x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。8/23/20216集成电路封装ECAD第一部分热设计概念对流可分为自然对流和强迫对流两大类对流换热采用牛顿冷却

4、公式计算Q=hA(tw-tf)h——对流换热系数，W/(m2·℃)；A——对流换热面积，m2；tw——热表面温度，℃；tf——冷却流体温度，℃。SurfaceT1HeatFlowT1>T2MovingFluidT28/23/20217集成电路封装ECAD第一部分热设计概念辐射辐射能以电磁波的形式传递任意物体的辐射能力可用下式计算SurfaceT1SurfaceT2Q=εAσ0T4ε——物体的表面黑度；σ0——斯蒂芬—玻尔兹曼常数，5.67×10-8W/(m2·K4)；A——辐射表面积，m2；T——物体表面的热力学温度，K。8/23/20218集成电路封装ECAD第一部分热设

5、计概念理解热电模拟法及模拟网络将热流量（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。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。8/23/20219集成电路封装ECAD第一部分热设计概念传热路径从实际传热观点而言，热设计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

6、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。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。8/23/202110集成电路封装ECAD第二部分热设计方法及工具介绍热设计简介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、再分析的设计流程，最终使封装的热稳定性得以改善。目前热分析所采用的方法

7、主要有实验分析法和数学分析法。8/23/202111集成电路封装ECAD第二部分热设计方法及工具介绍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。8/23/202112集成电路封装ECAD第二部分热设计方法及工具介绍数学分析法数