1IC封裝熱阻的定義與測量技術(shù)

1、散熱設(shè)計(一)IC封裝熱阻的定義與測量技術(shù)晨怡熱管 2006-10-2 1:29:47日期:2005-11-623:34:35來源：電子設(shè)計資源網(wǎng) 查看:大 中 小作者：劉君愷 熱度：熱阻值用于評估電子封裝的散熱效能，是熱傳設(shè)計中一個相當(dāng)重要的參數(shù)，正確了解其物理意義以及使用方式對于電子產(chǎn)品的設(shè)計有很大的幫助，本文中詳細(xì)介紹了熱阻的定義、發(fā)展、以及測量方式，希望使工程設(shè)計人員對于熱阻的觀念以及測量方式有所了解，有助于電子產(chǎn)品的散熱設(shè)計。介紹近年來由于電子產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，電子組件的發(fā)展趨勢朝向高功能、高復(fù)雜性、大量生產(chǎn)及低成本的方向。組件的發(fā)熱密度提升， 伴隨產(chǎn)生的發(fā)熱問題也越來越嚴(yán)重，而產(chǎn)生的

2、直接結(jié)果就是產(chǎn)品可靠度降低，因而熱管理( thermal management)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展也越來越重要【1】。電子組件熱管理技術(shù)中最常用也是重要的評量參考是熱阻(thermal resistance )，以IC封裝而言，最重要的參數(shù)是由芯片接面到固定位置的熱阻，其定義如下：%=號(1)熱阻值一般常用 。或是R表示，其中Tj為接面位置的溫度，Tx為熱傳到某點位置的溫度，P為輸入的發(fā)熱功率。熱阻大表示熱不容易傳遞，因此組件所產(chǎn)生的溫度就比較高，由熱阻可以判斷及預(yù)測組件的發(fā)熱狀況。電子系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計時，為了預(yù)測及分析組件的溫度，需要使用熱阻值的資料，因而組件設(shè)計者則除了需提供良好散熱設(shè)計產(chǎn)品，更需

3、提供可靠的熱阻資料供系統(tǒng)設(shè)計之用【2】。對于遍布世界各地的設(shè)計及制造廠商而言，為了要能成功的結(jié)合在一起， 必須在關(guān)鍵技術(shù)上設(shè)定工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。單就熱管理技術(shù)而言，其中就牽涉了許多不同的軟硬件制造廠商，因此需透過一些國際組織及聯(lián)盟來訂定相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。本文中將就熱阻的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展、物理意義及測量方式等相關(guān)問題作詳細(xì)介紹，以使電子組件及系統(tǒng)設(shè)計者了解熱阻相關(guān)的問題，并能正確的應(yīng)用熱阻值于組件及系統(tǒng)設(shè)計。封裝熱傳標(biāo)準(zhǔn)與定義在1980年代，封裝的主要技術(shù)是利用穿孔( through hole )方式將組件安裝于單面鍍金屬的主機板，IC組件的功率層級只有1W左右，在IC封裝中唯一的散熱增進(jìn)方式是將導(dǎo)線架材料由低

4、傳導(dǎo)性的鐵合金 Alloy42改為高傳導(dǎo)性的銅合金。隨著技術(shù)的提升，從 1990年代開始，半導(dǎo)體及電子封裝技術(shù)已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，為了增加組裝密度，組件的安裝方式采用表面粘著(surface mount)技術(shù)，雖然機板采用更多電源層的多層銅箔的機板，然而所產(chǎn)生的熱傳問題卻更為嚴(yán)重。為了增加封裝的散熱效能，開始將金屬的散熱片(heat spreader )插入封裝之中。在 1990 年代晚期，BGA (Ball Grid Array )的 封裝型式開始發(fā)展，由于面數(shù)組的方式可容納更多的錫球作為I/O ,因此封裝的體積大量縮小，而相對的機板的I/O線路也越來越小，使封裝技術(shù)朝向更進(jìn)一步的演進(jìn)，產(chǎn)生

5、的熱傳問題也較 以往更為嚴(yán)重。早期的電子熱傳工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主要是SEMI標(biāo)準(zhǔn)【3】，該標(biāo)準(zhǔn)定義了IC封裝在自然對流、風(fēng)洞及無限平板的測試環(huán)境下的測試標(biāo)準(zhǔn)。自1990年之后，JEDEC JC51 委員會邀集廠商及專家開始發(fā)展新的熱傳工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，針對熱管理方面提出多項的標(biāo)準(zhǔn)【4】，其中包含了已出版的部分、已提出的部分建議提出的部分，熱管理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)整理成如圖一之表格分布。和SEMI標(biāo)準(zhǔn)相比，雖然基本測量方式及原理相同，但內(nèi)容更為完整，另外也針對一些定義做更清楚的說明【5】。OVERVIEW JESD51TrCRMALMEASUREMENTTHERMALENVIRONMENTCOMPONENTMOUNTING

6、DEVICECONSTRUCTIONTHERMALMODELINGMEASUREMENTAPPLICATIONElectncal TestMethodJESD51_1NaturalConvectionJESD 51-2Low EffectiveThermal Cond.Thermal Test Bd.JESD 51-3一 一A “C -Application ofThermalStandardsGuideline1 fieinidl 1 匕Guideline(Wire Bond)JESD51-4uuidiieu iviuueiGuidelineInfrared TestMethodForced

7、ConvectionJESD51-2Hi EffectiveThermal Cond.Thermal Test Bd.JESD51-7Thermal Test ChipGuidelineFlip Chip DCASubmergedDetail JetImpingementConductionModeValidationMethodSpecificationGuidelines forPackageManufacturesTest MethodImplementationfor Active DieHeat SinkJunction-to-CaseArea ArrayThermal Test B

8、d.JESD 51-9Dual Cold PlateConductionModelValidationMethodSpecificationGuideline forPCB ToleranceVenficationTransient TestMethodPCBJunction toBoardJESD51-8Direct AttachThermal Test Bd.JESD 51-5Compact ModelGuidelineThcrmocDupIoMeasurementGuidelineT hnough HaleThermal Tesi Bd.Array and OIL.IntertacoMs

9、suramentMethodChip SizePackageDined Chip AttachI hcnnal rest 日已Standard PublishedStandard Proposed(In committee work group)Standard Suggested圖一 JEDEC JC15.1會議訂定之已發(fā)表標(biāo)準(zhǔn)、提出之標(biāo)準(zhǔn)及建議之標(biāo)準(zhǔn)SEMI的標(biāo)準(zhǔn)中定義了兩種熱阻值，即6)ja及0jc,其中6)ja是測量在自然對流或強制對流條件下從芯片接面到大氣中的熱傳，如圖二( a)所示。由于測量是在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的條件下去做，因 此對于不同的基板設(shè)計以及環(huán)境條件就會有不同的結(jié)果，此值可用于比

10、較封裝散熱的容易與否， 用于定性的比較，jc是指熱由芯片接面?zhèn)鞯絀C封裝外殼的熱阻，如圖二(b),在測量時需接觸一等溫面。該值主要是用于評估散熱片的性能。DeHnWon ofDenm除n of 學(xué)打(a)- Bja之定羲(b) 亂之定羲+隨著封裝型式的改變，在新的 JEDEC標(biāo)準(zhǔn)中增加了 6)jb、里jt、里jb等幾個定義，其中 jb為 在幾乎全部熱由芯片接面?zhèn)鞯綔y試板的環(huán)境下，由芯片接面到測試板上的熱阻，如圖二(c)所示，該值可用于評估 PCB的熱傳效能。里jx為熱傳特性參數(shù)，其定義如下里和。之定義類似，但不同之處是里是指在大部分的熱量傳遞的狀況下，而。是指全部的熱量傳遞。在實際的電子系統(tǒng)散

11、熱時，熱會由封裝的上下甚至周圍傳出，而不一定會由單一方向傳遞，因此里之定義比較符合實際系統(tǒng)的測量狀況。里jt是指部分的熱由芯片接面?zhèn)鞯椒庋b上方外殼，如圖二(d)所示，該定義可用于實際系統(tǒng)產(chǎn)品由IC封裝外表面溫度預(yù)測芯片接面溫度。里jb和jb類似，但是是指在自然對流以及風(fēng)洞環(huán)境下由芯片接面?zhèn)鞯较路綔y試板部分熱傳時所產(chǎn) 生的熱阻，可用于由板溫去預(yù)測接面溫度。Definition oF R lh分巳或陳之定兼雖然標(biāo)準(zhǔn)下之各種熱阻測量值可應(yīng)用于實際系統(tǒng)產(chǎn)品之溫度預(yù)測，但是實際應(yīng)用時仍然有很大的限制。使用標(biāo)準(zhǔn)的9ja、6)jb、里jt、里jb等測量參數(shù)于系統(tǒng)產(chǎn)品的溫度預(yù)測時，需注意標(biāo)準(zhǔn)測 試條件所用的測

12、試板尺寸、銅箔層及含銅量， 也應(yīng)注意測量時所采用的自然對流及風(fēng)洞環(huán)境和實際系統(tǒng)的差別為何。大致上來說，由實驗測量之熱阻值或是熱傳參數(shù)的主要用途是做為IC封裝散熱效能的定性比較，也就是不論由哪家封裝廠封裝，只要符合標(biāo)準(zhǔn)方式，就可以比較其散熱狀況，對于封裝散熱設(shè)計或熱傳狀況有很大的幫助。另外就是實驗測量之值也可做為數(shù)值仿真的驗證及簡化之用。熱阻測量方法介紹由于一般IC封裝時芯片接面會被封裝材料蓋住，而無法直接測量芯片工作時其接面發(fā)熱的溫度，因此熱阻測量所采用的方式一般是利用組件的電性特性來測量，例如芯片上的二極管或晶體管的溫度及電壓特性。電性連接的方式如圖三所示【6】，以二極管而言，由于其順向偏壓

13、和溫度會呈線性關(guān)系，因此可用來做為溫度敏感參數(shù)(Temperature Sensitive parameter) 。由于一般實際的芯片上并不一定有容易測量的二極管接腳，再加上許多封裝需在封裝實際芯片之前就要測量封裝之熱阻值，因此大部分是采用熱測試芯片( thermal test chip)來進(jìn)行封裝的熱阻測量如圖四所示【6】。熱測試芯片的制造目前已有許多廠商的產(chǎn)品可供利用，其一般的設(shè) 計標(biāo)準(zhǔn)在 SEMI 320-96、JEDEC JESD51-4 以及MIL883 等標(biāo)準(zhǔn)中有詳細(xì)的介紹，一般的熱測試芯片中包括了溫度感應(yīng)組件、加熱用電阻以及用來連接的金屬墊，有的芯片之間有電橋之設(shè)計，可使芯片做不

14、同面積之組合，圖五為兩種熱傳測試芯片。Eltctronic SwitchHeoling SensingRj» - lx) / ( V - I )圖三利用組件中二極管測試的實驗【6】Rjx * (Tj - Tx) / ( V - 3)圖四利用熱測試芯片測試的實驗【6】(b)圖五兩種不同的熱測試芯片設(shè)計(a)Delco (b)IMECPTCA測量之前的準(zhǔn)備工作首先將和真實芯片相同大小的熱測試芯片依各種封裝型式的需求封裝起來,再依其粘著方式焊接于測試板上，如圖六所示。熱測試板有兩層板及四層板兩種，仿真低熱導(dǎo)性板及高熱導(dǎo)性板兩種狀況。將封裝上有訊號傳出的接腳以細(xì)電線連接到測試板下方的金手指，

15、將測試板插入連接器中，接出所需的訊號。 由于熱測試芯片的供應(yīng)電流、輸出電壓以及電阻值各供應(yīng)廠商都有提供測量值，測量前最好先以電表及定電源供應(yīng)器確定訊號線的連接是否正確。以下將介紹6）ja、jb以及jc之測量方式。圖六兩種不同封裝之測試板設(shè)計（a）面數(shù)組型式（b）導(dǎo)線架接腳型式1. 。ja之測量其測量過程分為溫度敏感系數(shù)的校正以及自然和風(fēng)洞測試環(huán)境的測量兩個部分。其主要設(shè)備包括電表、定電流供應(yīng)器、電源供應(yīng)器、溫度記錄器、恒溫箱、自然對流測試箱以及風(fēng)洞裝置。測量 時首先需決定封裝的溫度敏感參數(shù)TSP （temperature sensitive parameter）,該值為二極管之輸出電壓值。供應(yīng)

16、微小電流到封裝中，將封裝置于恒溫箱中加熱到固定溫度，等到封裝內(nèi)部及環(huán)境溫度到達(dá)穩(wěn)定，測量封裝表面的溫度值，記錄二極管電壓輸出（TSP）值。記錄幾點不同的溫度及電壓值，做出溫度校正線，如圖七所示，找出實驗值的斜率，稱為K因子（Kfactor ）。K=（以一耳。）（囁-vL0）（3）1000Ambienl Tmpetature | Q圖七TSP參數(shù)校正線接下來將封裝及測試板放入自然對流的測試箱中，如圖八所示，輸入固定電源加熱芯片， 記錄輸出電壓，利用溫度校正線換算芯片接面的溫差值，如式（4）所示，再利用式（5）計算出熱阻值。T尸 KxATSP （4）& =尸-7）/尸圖八自然對流封裝測試其

17、中TA0為輸入電源前的溫度，而 TAss為到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時的溫度。作風(fēng)洞實驗時，如圖九所示，先將封裝及測試板放置于風(fēng)洞中固定位置，調(diào)節(jié)風(fēng)洞固定風(fēng)速，再輸入不同電源加熱芯片，記錄在不同風(fēng)速下的輸入電源、輸出電壓及環(huán)境溫度，利用溫度校正線算出芯片接面溫度，再利用式（1）計算出熱阻值。=+ 4+%(6)圖九封裝熱阻測試風(fēng)洞2. e jc之測量Ojc之測量雖然在 SEMI G30中有介紹，主要是利用溫度控制的散熱片或是溫度控制的流體槽方式，使熱由單一方向傳遞，但實際測量不同型式的封裝時有困難，因此JEDEC中尚未定義出測量方法，主要的原因是必需全部的熱由封裝上方傳出，由于封裝的熱會經(jīng)由接腳或錫球傳遞，因

18、此在一般環(huán)境之下很難控制全部的熱傳向上方，造成實際測量時會有熱損失。 其二是依定義所測量的面必須最接近芯片接面以及維持等溫面，這也使得實際測量上有困難。 最近一種新的測量方式受到注意【7，其主要是利用熱傳的瞬時趨近方式，將瞬時量得的熱阻分成三個部分，即由芯片接面到封裝外殼之熱阻Ojc、接口材料之熱阻Oi以及散熱片或冷板(cold plate) 之熱阻ecp,其測試裝置如圖十所示，其中Oi為常數(shù)，在瞬時下測量Ojx、Ocp之值，由下式可算出0jc之值。由于利用瞬時特性，因此可避免等溫面等問題。圖十0jc測量裝置【7】3. e jb之測量e)jb之測量在JEDEC51-8中有詳細(xì)的記載，需利用環(huán)型冷板( ring cold plate ),將測試板及封裝夾于中間，利用水冷的方式冷卻銅板，使測試板溫度降低，如圖十一所示。冷板夾到測試板的焊接線路上，離接腳