熱設計工程師和芯片封裝工程師都知道，芯片尺寸雖然已經(jīng)較小，但實際上芯片內(nèi)部的發(fā)熱點尺寸更小。我們外觀能看到的，都是芯片的封裝外殼。而封裝外殼將導致封裝熱阻。無論我們使用什么方式，封裝熱阻都不可能被消除。可以舉這樣一個例子。
假設某芯片結殼熱阻Rjc = 1C/W，結板熱阻Rjb = 10C/W，即熱量可以更容易地向上殼方向轉(zhuǎn)移。芯片通常用在室溫環(huán)境25C下。
如果芯片的發(fā)熱量為100 W，而其結溫要求為100C，那么，熱設計成本將會非常高昂。因為由于封裝熱阻的存在，芯片的固有溫升將達到100C，室溫下，必須使用制冷設備將芯片表面的溫度控制到0C以下，才有可能保證芯片的正常工作。
那么，大家想一想，對于這類芯片，更有效的散熱優(yōu)化方法是什么呢？
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顯然是降低封裝熱阻。我們先來了解封裝的意義。
芯片的封裝包含但不局限于如下三個方面的意義：
a) 固定引腳系統(tǒng)，實現(xiàn)芯片與外部的數(shù)據(jù)信息交換
芯片不能單獨工作，它必須與外部設備進行連接和數(shù)據(jù)交換。封裝最基本的作用就體現(xiàn)在這里。由于芯片內(nèi)部的金屬線極細（通常小于1.5微米，多數(shù)情況下只有1.0微米），不可能將芯片內(nèi)的引腳直接與電路板連接。通過封裝，可以將外部的引腳用金屬銅與內(nèi)部的引腳焊接起來，芯片便可以通過外部的引腳間接地與電路板連接以起到數(shù)據(jù)交換的作用。外部引腳的材質(zhì)和形式需要根據(jù)芯片的具體功能和使用場景來選用。通常情況下，芯片內(nèi)部的引腳和焊接點會被埋藏在基體中，外觀上看到的引腳，全部是外部引腳。
b) 保護芯片，避免其受到物理、化學等損傷
芯片的封裝材料可以保護芯片免受微粒、濕氣和機械力等外界因素對它的損害。實現(xiàn)物理性保護的主要方法是將芯片固定于一個特定的芯片安裝區(qū)域，并用適當?shù)姆庋b外殼將芯片、芯片連線以及相關引腳封閉起來，從而達到保護的目的。應用領域的不同，對于芯片封裝的等級要求也不盡相同。
c) 增強散熱
根據(jù)熱力學第二定律，所有半導體產(chǎn)品在工作時都會產(chǎn)生熱量，而熱量會導致芯片溫度升高。當溫度達到一定限度時，芯片的性能就會收到影響。因此，封裝在滿足電氣、保護功能之外，還需要考慮散熱特性。當前，無論是自然散熱、強迫對流散熱還是液冷散熱，芯片的熱量都是從結點發(fā)出，經(jīng)由封裝材料散逸到低溫介質(zhì)中。封裝材料的導熱和均熱特性對芯片的散熱性能有關鍵影響。隨著芯片功率密度的加速提升，芯片封裝在散熱特性方面的研究越來越多。
封裝熱阻的優(yōu)化，需要充分考慮產(chǎn)品的電氣和物理防護性能。后面將結合一些產(chǎn)品的封裝形式，來闡釋近年來芯片封裝演進在散熱設計上的考量。
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