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1、任何電氣器件及電路都不可避免地伴隨有熱量的產生，要提高電子產品的可靠性以及電性能，就必須使熱量的產生達到最小程度，要管理這些熱量就需要了解有關熱力學的知識并深入掌握相關的材料知識：

    a. 溫度對電路工作的影響：升高一個有源器件的溫度通常會改變它的電學參數，如增益、漏電流、失調電壓、閥電壓和正向壓降等等；改變無源元件的溫度通常會改變它們的數值；所以設計人員需要對元器件進行熱模擬和電模擬；

    b. 溫度對物理結構的影響：玻璃轉化溫度Tg和熱膨脹系數CTE；

2、熱管理基礎：

    a. 熱力學第二定律：熱總是自發地從較熱的區域流向較冷的區域；
    b. 傳熱機理：傳導、對流和輻射；
■熱傳導是通過固體、液體和氣體或兩個緊密接觸的介質之間流動的過程；
■對流是兩個表面間由于流速不同而導致的熱能傳輸；
■輻射是通過電磁輻射傳熱的，主要發生在紅外波段（0.1~100um）；溫度為0K以上的所有物體都會發生熱輻射；溫度輻射體可分為：黑體（灰體和選擇性輻射體）和非黑體；

3、封裝概述：基于以下四個原因需要封裝半導體：為半導體提供機械支撐、為半導體提供下一級封裝的互連、為半導體提供環境的保護、為半導體產生的熱量提供一種耗散途徑；常見的封裝有單芯片封裝（SCP）、多芯片模組（MCM）、系統級封裝（SIP）、多個芯片封裝（FCP）以及板級封裝；

4、封裝材料：
1）半導體：
    a. Si和Ge：硅的導熱率150W/(m?k)、鍺的導熱率77W/(m?k)；
    b. 化合物半導體：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：可以分為兩大類：軟和的硬的，軟粘接劑包括有機物、聚合物和鉛基釬料，硬粘接劑包括金基共晶釬料（AuSi、AuGe、AuSn）、銀基釬料（Sn96）和摻Ag玻璃；
    a. AuSi共晶焊：共晶溫度為370℃，導熱率為27 W/(m?k)；
    b. 軟釬焊：AuSn（共晶溫度為280℃導熱率57 W/(m?k) CTE為15.9ppm）、AuGe（共晶溫度為361℃導熱率44 W/(m?k) CTE為13.4ppm）和Sn96（共晶溫度為221℃導熱率33 W/(m?k) CTE為33.2ppm）；
    c. 摻Ag玻璃：由約60%的片狀Ag粉、20%的玻璃和20%有機粘結劑（在工藝過程中會完全燒毀）組成，其熱導率約為60~80 W/(m?k)，典型工藝溫度為400~420℃;
    d. 有機粘接劑：填充有貴金屬的聚酰亞胺、氰酸酯和環氧樹脂被廣泛用于芯片粘接，Ag是最常用的填充材料，特定應用中Au和Cu也可用作填充材料，為提高導熱率可加入例如B3N4、AlN、Al2O3和CVD金剛石作為填充物；另外有機粘接劑可分為熱固性和熱塑性兩種；

3）基板及金屬化：基板可以是陶瓷、帶有電絕緣材料或有機物的金屬；
    a. 氧化鋁（Al2O3）：導熱率為12~35 W/(m?k)，與純度相關；CTE為6.3ppm（25~400℃）；
    b. 氧化鈹（BeO）：導熱率為248 W/(m?k)；CTE為6.4ppm（25~400℃）；需要注意的是Be化合物的粉塵會引起慢性Be病（CBD），稱為鈹中毒；
    c. 氮化鋁（AlN）：導熱率為170W/(m?k)；CTE為4.7ppm（25~400℃）；一個明顯缺點是在高溫下與水接觸會分解成無定形的氫氧化鋁；
    d. 低溫共燒陶瓷（LTCC）：是DuPont公司1985年商品化的一項厚膜工藝技術，其熱導率范圍為2.0~4.4 W/(m?k)，CTE為4.5~8.0ppm，取決于制造商和生瓷帶的具體成分；LTCC中導熱通孔的使用是提高熱導率的標準方法；
    e. 薄膜多層基板：用于制造多芯片模塊（MCM-D），其總熱阻由串聯的兩個熱阻組成，多層薄膜部分和支撐材料部分，另外設計者也可以使用導熱通孔陣列提高有效熱導率；
    f. 鋼基板：用鋼上介電材料（DOS）對不銹鋼進行絕緣處理，例如Heraeus公司的Cermalloy GPA98-047的熱導率為4.3 W/(m?k)；
    g. CVD金剛石：合成金剛石或化學氣相淀積CVD金剛石是一種熱導率非常高的材料，其熱導率大于1300 W/(m?k)，故既可用作基板也可用作散熱片；
    h. 絕緣金屬基板（IMS）：既可用作基板也可用作電路卡，它們是單面包覆多層金屬的板，絕緣金屬基板是排列在18in×24in的板上制備的，所以是FR-4印制電路卡的廉價、高導熱率的替代物；其基板一般為Al，也可以是Cu、Cu-Invar-Cu、Cu-Mo-Cu或鋼，并起到熱沉的作用，介電材料為聚合物，厚度在擊穿電壓和熱阻之間權衡后選擇；
    i. 印制電路基板：在MCM-L（層壓板）應用中，多層基板是用有機材料（如FR-4和聚酰亞胺）制備的；

4）基板粘接：在多芯片應用中通常使用一塊基板，將基板粘接到下一級組件（不管是封裝、電路卡還是熱沉）上時需要粘結介質，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導電的；

5）各類封裝的材料和導熱通路：
    a. 非氣密封裝：塑封微電路（PEM）的主要熱通路是通過封裝的底座和引線到達電路卡組件，次要的熱通路是從管芯通過塑料傳到空氣中；
    b. 氣密封裝：對于高可靠性和惡劣環境的用途，使用陶瓷基板或金屬底座的氣密封裝，氣密封裝中的主要熱通路為通過底座的傳導，次要而且很小的一條熱通路是對流

6）熱界面材料：空氣的導熱率是0.026W/(m?k)，是熱的不良導體，必須從結到熱沉的熱通路中加以消除。消除的技術是施加機械壓力壓平表面或用高導熱率的材料進行填充，常用的填充材料包括釬料、導熱脂、橡膠墊、導熱粘接劑、聚酰亞胺膜、相變材料、云母墊、粘接帶、陶瓷片、下填料以及聚合物復合材料（纖維）。

7）印制電路板（PWB）：在電子封裝中的應用主要有兩個目的：互連和傳熱，可分為剛性和撓性兩大類，其中剛性PCB可以有多種結構，包括單面、雙面和多層的，從熱管理方面考慮均可歸為一起，它們的熱阻與樹脂材料的熱導率和數值厚度成正比。一般的PCB板的CTE為15~20ppm，而導熱率根據材質不在0.2~0.9 W/(m?k)之間。提高導熱率的方法有導熱通孔、微導通孔（積層技術）、以及芯片與熱沉直接粘接等；

8）撓性PCB：是由薄且撓性的介電材料與韌性的、只有圖形的Cu箔黏合而成，在撓性PCB中，有兩條可能的導熱通路：通過介電材料和通過Cu箔，介電材料的熱導率為0.11 W/(m?k)聚酰亞胺或者是熱導率為0.21~0.87 W/(m?k)的聚酯膜；

9）鍍層：金屬封裝和基板一般均鍍有一些材料，如Au、Ni、Cu、Ag和Sn，封裝電鍍是為了防止腐蝕，而基板電鍍是為了提高電導率和便于引線鍵合。

10）氣體：氣體的導熱性極差，當氣體處于熱通路中時，會導致熱阻非常高，像He這樣的氣體的導熱率大概是空氣或氮氣的6倍，故在某些場合用作導熱模塊基座的填充劑；
5、決定熱阻的因素：
    a. 半導體芯片尺寸：電子系統中的熱量是在半導體結產生的，結面積是決定熱阻的一個關鍵因素，同樣芯片厚度也是決定熱阻的重要因素；
    b. 芯片粘接材料及其厚度：粘接材料的熱導率是決定熱阻的最重要因素；
    c. 基板材料及其厚度，即基板材料的導熱率和基板的厚度，尤其是基板介電材料的厚度；
    d. 基板粘接材料及其厚度；
    e. 封裝材料及封裝界面。

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