第88卷，卷第期第第33期V ol ． 8，No ． 3
电电子子与与封装
ELECTRONICS & PACKAGING
总 第59期2008年3月
封装外壳散热技术及其应用
龙 乐
（成都龙泉天生路205号1栋208室，成都 610100）
摘 要：微电子器件的封装密度不断增长，导致其功率密度也相应提高，单位体积发热量也有所增加。为此，文章综述了封装外壳散热技术的基本原理、最新发展及其应用，并简要讨论了封装外壳散热技术的未来发展趋势及面临的挑战。关键词：芯片冷却；散热器；热管理
中图分类号：TN305.94 文献标识码：A 文章编号：1681-1070（2008）03-0006-05
Heat Disspation Technology and Its Applications in Electronic Packaging
LONG Le
（Tiansheng Road 205,1-208, Longquan, Chengdu 610100, China）
Abstract ：As microelectronic device packaging density becomes more complex and compact, its powerdensity and amount of heat disspation increases correspondinngly. Therefore, this paper presents an over-view of the principle for heat disspation technology, the new development and application of heat disspationare also discussed. A brief disussion of the future trends and challenges of package heat disspation technol-ogy are also described.
Key words: chip cooling; heat sink; thermal management
有专家预测，按目前VLSI 功耗的同一方法计算，未
1 引言
在微电子器件中，代表芯片特征的光刻线宽越来越窄，达到45nm 以下，小尺寸、大电流和微弱的电压降，由此引发其发热率持续上升，尤其是超大规模集成电路、功率器件、多芯片组件的集成度、功率密度不断提高，所消耗的功率会转化成热量，使器件的结温上升。以计算机的中央处理器CPU 为例，从奔腾时代的功耗25 W、40 W、65 W上升到奔4的103W·cm-2～105W·cm-2数量级的高热流密度，需要采取相应的散热冷却管理；一些芯片的发热率达到150 W·cm-2，根据国际半导体技术规划ITRS 预估：2006年每块DRAM 的发热量从1W 左右增加到2W ；
来SoC 芯片将有可能达到太阳表面温度。另一方面，器件的主要电参数及性能随温度变化而恶化，在封装外壳结构的设计上，如果不能将芯片结温的热量及时散发出去，抑制器件温升，将会产生过热或温度交变诱生失效、热疲劳、热冲击、裂片、烧毁、可靠性降低等极其严重的影响。据统计，由热所引发的失效约占器件失效的50%以上。
纵观国内外近年来封装外壳散热技术的研发工作，散热技术已成为封装设计与制作以及器件应用方面十分普遍而重要的问题，主要体现在散热器的流体与传热特性分析及优化设计上，研发出一些新的散热冷却装置，将热传递到一个更大的区域来解决散热问题。
收稿日期：2007-11-06
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第8卷第3期龙乐：封装外壳散热技术及其应用
体性能全面提高，即便在设计上完美，也面临着加
2 散热冷却技术的特征
器件的高集成化、大功率化、封装区域小型化，所引发的直接问题是芯片工作温度升高，性能不稳定。降低芯片温度可以有多种方法，可通过版图的合理布局使芯片表面温度尽可能均匀分布，把发热量大的部位分割成许多小子区，或把各小子区安排在芯片的周边附近，防止出现局部过热点，并尽可能降低芯片本体的厚度；封装热设计主要通过合理选择封装结构、键合、烧结工艺，确保芯片与底座的烧结质量，尽可能降低材料之间的热不匹配性，防止发生过大热应力；外壳热设计着重考虑器件应有足够大的散热能力。对于耗散功率较大的器件，为改善管芯与底座的良好接触，在整个热路中选用热导率高的材料，例如，芯片背面金属化和选用绝缘性与导热性好的电子封装复合材料。
很多电子工程师都熟悉用热阻作为一种热分析技术，热阻的表示单位是℃·W-1或K·W-1，热阻越大表示散热能力越差，热阻的物理意义就是热路对热流的阻力，是热的欧姆定律，热阻的大小取决于芯片尺寸、芯片粘接材料及厚度、基板材料及厚度、外壳材质，热阻随热流变化。
为从散发热的途径分析方便考虑，进行降低热阻的设计，将器件封装的热阻分为内热阻和外热阻两部分：内热阻是芯片结温到外壳之间的热阻，主要是热传导，取决于器件封装的内部结构，通过改进设计与使用封装复合材料可降低内热阻；外热阻是器件外壳与环境之间的热阻，主要是热对流，取决于器件的安装、冷却，可通过良好的散热措施解决，即选择使用热沉、散热器、外部冷却系统。表1和表2分别示出常用封装类型的热阻值，由于芯片尺寸大小与封装结构及所用材料的不同，其热阻值是动态的。总热阻为内热阻、接触热阻（焊料、垫片、底座、引线框架等）、外热阻之和，与安装技术、封装形式、散热面积、环境条件有关。散热冷却方式通常有传导、对流和辐射三种，其中热传导的效率最高，散热作用约占60%，热对流约占30%，热辐射只占10%。
目前，已研发出多种可用于封装外壳的散热器，如表3所示，按冷却技术划分主要有三类：空气对流换热（被动、半主动、主动）、液体冷却换热和相变循环系统。由于散热器性能同时受到几
种相互矛盾冲突的参数或特性的作用，很难获得整
工、材料、成本等方面的制约，只能尽量寻求一种平衡。空气对流换热在目前的散热器设计中占有主导地位，被动型空气冷却主要依靠自然对流交换热量。散热器的面积和形状结构大多根据整机的安装条件、热阻来决定，并要求其接触面平整、光滑，确保接触良好以减小接触热阻。一些高热导率材料（银、金刚石等）可制作散热器，但其价格太高，常用的材料主要是铝和铜，聚合基复合、金属基复合、碳/碳复合、陶瓷基复合封装材料，也已部分商业化。高导热率、低电阻率银胶可解决器件高集成和高速化所产生的超大热量及传统低导热率银胶无法克服的散热问题，同时实现粘接、散热及无铅化。
表1 TO型封装的热阻
表2 双列直插封装的热阻
最常见的散热器是用铝材料挤压成型，例如，平板散热器、辐射散热器、叉指散热器，其热阻相对较小。采用铜材制作高性能散热器，研发出铜铝复合型散热器，底部为铜，翅板或肋片为铝，具有更好的散热性能和经济性。散热片多半是矩形，通过螺孔或夹具来使器件紧贴散热片或印制电路板PCB ，有的采用磨床加工，制作成散热针。
3 贴片式封装的散热
贴片式器件与通孔插装式不同，封装体尺寸
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第8卷第3期
电子与封装表3
常用的散热措施
要小得多，其散热器结构不能像CPU 那样，在顶部加装散热器和冷却风扇，采用强制空气冷却散热。封装散热通常按器件热特性和所占据PCB 板面积之比来进行评估，多采用在器件底部设置裸露的散热垫，并与P C B 大面积接触达到散热目的。有的器件采用增加引脚的方式，将热量从引脚传导到PCB ，达到散热效果，此时材料和引脚长度对封装的总体性能至关重要。表4比较了两种常用封装和6个引脚SOT-563
的热性能，它们采
用相同的芯片，引脚越短则热阻越小。为加速冷却散热，也可在PCB 的底部增加一块散热片（或插片），将热量散发到周围介质中去。陶瓷无引线片式载体（CLCC ）封装将散热片直接镶嵌于陶瓷基座的底部，可用于散热功率≥5W 的产品。采用平板式或T 型散热片，其优选材料为铜-钨-铜、铜-钼-铜的三明治结构合金，并改进钎焊工艺，解决散热片的电镀质量问题，确保高密度陶瓷封装外壳的热性能要求。
表4 热性能比较
倒装芯片（FC ）被视为各种高引脚数封装的首选，年复合增长率高达31%。FC-BGA 封装与增强型散热片相结合组成的封装，其散热优势是将芯片直接粘贴在散热片的下面，裸露的散热片直接构成了整个封装结构的顶部，通过封装结构的表面能够进行空气对流，同时又能减小接触热阻和扩散热阻。也可将散热片或插片直接与诸如高热导率材料、散热器、冷却风扇- 8 -
等直接连接在一起，增加散热效果。采用一种带金属散热盖的FC-BGA ，芯片背面与金属散热盖粘贴，金属散热盖四周与基板粘合，其散热能力极大地增强。
一些厂家将BGA 封装引入功率器件，把所有凸点安排到芯片的一侧，此时芯片和封装面积几乎达到100%，芯片实质上是反转过来，通过金属球凸点与PCB 直接焊接，可提供最短的连接距离，在相同的电
第8卷第3期龙乐：封装外壳散热技术及其应用
参数范围，有更小的热阻及引线电感在散热方面比SO-8提高250%。有的低压功率MOSFET 的导通电流已超过100A ，为此开发出Direct FET技术，采用独特的铜质外壳金属帽结构，实现双面散热，散热能力大大增强，从而消除热量对器件性能的严重威胁，SO-8封装的结温到PCB 的热阻大约为20℃·W-1，而同样尺寸的Direct FET封装不到1℃·W-1。并且，在芯片结温与封装外壳顶部之间提供了一条较低的热阻路径，也可采用强迫风冷或导热的填充介质将热传导到一个散热器上，大量的热从器件顶部散发。研发出超小型Direct FET封装，强制通风应用的双面冷却极性PAK 功率MOSFET 。
倒装引脚铸模封装（FCMP ）的结壳热阻降低至0.5℃·W-1，功率BGA 当从顶部散热时，热阻减小到0.5℃·W-1，从封装底部即与PCB 焊接在一起的那一面进行散热时，热阻在1.3℃·W-1左右，从顶部或底部都同样可以进行散热，从而获得更好的性能。
转速，减小噪声，提高寿命，并相应地研发出各种风扇控制集成电路，与温度检测传感器相结合的微型冷却风扇组件系统是发展方向。
微型冷却风扇组件系统由风扇、温度传感器、散热片、功率驱动器件、控制集成电路等构成，可实现散热系统管理。有的厂家在系统内部设定风扇工作的阈值温度，例如每间隔5℃有一个阈值供用户选择，当温度超过阈值温度15℃时，有超温报警信号输出；超过阈值温度30℃时，有过热关闭信号输出，可关闭耗散功率大的器件或关闭提供该器件的电源，防止器件过热损坏。另一方面，可根据器件的温度变化，控制风扇的转速（P W M 控制），以最佳的控制方式调节空气流量。
5 液体散热冷却装置
液体散热冷却装置的散热效率最高，已开发出多种基于液体组件构成散热冷却的、可用于封装外部的装置，包括喷气流冷板、喷雾冷却器、水气室、热管以及浸没式系统等，其不足之处是需要泵或者其他液体驱动组件，这可能在泄漏、有限寿命、增加额外重量等方面存在问题。采用液体循环冷却的强制热散发FTS 组件，研发出带主动散热BGA 封装，在塑料封装中，将具有微细管道阵列的组合体直接与芯片粘接，可有效地降低整个封装系统的热阻。FTS 是带有驱动泵集成的嵌入式液体系统，管道中液体流速为（0.5～1.0）L·min-1之间，总的液体压降仅为（15～20）kPa （2～3）psi ，中心部位的微型管道阵列具有很高的热对流系数，这种主动散热BGA 封装的热性能如表5所示。其封装表面的温度分布更为均匀，可提高外部散发热量，在无需增加其他液体冷却组件的情况下，能散发超过1 200 W·cm-2
的热流量。
4 微型冷却风扇
迈入新千禧年以来，Intel 和AMD 之间的CPU 频率大战几乎同时遇到了散热和功耗问题，CPU 的高热流密度产生了一股不可抗拒的发展瓶颈，应用专用微型风扇冷却CPU 的强迫空气对流主动式散热器应运而生，强化对流散热方式的散热效率比自然冷却散热高2～4倍，可将CPU 核心热量迅速导出，相对于液体冷却散热无须额外冷却介质，装置简单，具有良好的可靠性，目前获得广泛应用。
一般常用的是直流轴流型无刷电机组成微型冷却风扇，其形状多为正方形，转速从数千个rpm （转/分）到小型磁悬浮轴承风扇的上万rpm ，空气流量从零点几个CFM （立方英尺/分）到几十个CFM ，为适应市场需求，研发出低功耗、超小型冷却风扇，增加
表5 主动散热BGA 封装热性能
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第8卷第3期
电子与封装
境有效地得到控制。其技术优势是结构较简单，基本无可动部件，无污染，无噪声，科研成功的样品离实用化尚有较大差距，还有很多未知的理论问题没有定论。6.3 超微冷冻机
超微冷冻机是由美国MMR 公司所研发的一种微小型低温冷冻机，它利用高压气体经由焦耳汤姆逊膨胀作用，快速获得冷却效果。仅需要一个火柴大小的装置，就拥有将温度降低至绝对温度70K 的工作能力，能精确地控制温度0.1K ，被实际应用于导弹内电子零部件的冷却。6.4 芯片级散热
器件的散热问题始终是应用要面临的难题，尤其是军用设备所面对的挑战：空间小，挤满了各类元器件以及在极限温度下必须正常运行的高功率装备、车辆等。
一项美国国防部资助750万美元的“多学科大学研究建议”的新项目，试图解决芯片级的散热问题。旨在研究微细加工、纳米技术、系统控制方法，降低大规模高温电子设备中的芯片温度，研究控制各种液体流经微型设备时的热量传导机制，比较微通道结构，探索悬浮在液体冷却剂中的纳米粒子影响。并将开发一种大型的系统仿真器，用于军用设备的冷却系统，在实施其进行虚拟原型机试验。
热管也是一种传热效率极高的换热元件，冷热流体间的热量传递是靠热管内工作介质蒸发和冷凝的相变过程耦合在一起的，冷却能力极强。热管有管状、平板状、多肋片状或组合状等，也有制作成柱状、圆角形、S 形、螺旋形的，其工作流体多选用高纯水、硅油、丙酮或液氨等。以水为流体直径0.6cm 的15cm 长的水平循环热管可传导热量300W ，用于大功率器件的热管散热器的散热达到200 W·cm-2，实际应用主要是热管的使用寿命问题。
芯片的微型化要求散热器有同样程度的微型化和集成化，集成式微冷却器结合了微流道散热器及微热管均热片工作原理，此构想包括微热管均热片、微流道散热器、微型泵及管路等。微流道散热器采用微机械电子系统（MEMS ）技术，在硅基板（甚至硅芯片背面）或金属基板上，制作许多微沟槽，再结合封装形成闭环封闭的流道，端口再与支管接合，作为冷却液体的出入口，基板的另一面与芯片接合，芯片热源直接传导给散热器，并由强制液体、液体相变带走，减小不必要的热阻。硅基板的热传导系数高于一般基板材料很多，且其热膨胀系数与硅芯片相同，其最佳的热传导性能和应用潜力均已获得验证。
6 散热冷却发展趋势
目前，除了整合微型风扇、散热片、液体冷却、热管或利用高热传导材料，提高散热效率之外，工程师们开始研发一些新的散热方式，其发展前景倍受关注。6.1 半导体制冷器
半导体制冷器是利用帕尔帖效应的温差热电制冷，将电能转变成冷或热，其一端面制冷，而另一端面发热。为了达到更好的制冷效果，往往在发热端增加一个散热风扇。也可采用串联方式的级联，增加制冷深度，提高制冷效率。用于各种不同目的半导体制冷器的结构、尺寸、形状也是不尽相同的，可用于计算机CPU 、功率器件、模块、仪器、机箱的散热冷却，尺寸小，体积可不到1cm 3，重量几克或数十克，无机械转动部分，无噪声。功率器件配置半导体制冷器时，强化散热提高器件使用功率达数十倍。6.2 微型热声制冷器
微型热声制冷器一般由微驱动器、谐振腔、回热器和热交换器结合在一起构成，利用MEMS 技术实现一体化。采用模块化工艺线路，冷却模块可根据需要来合理布置在芯片表面，消除热点并使芯片的温度环- 10 -
7 结束语
新一代微电子器件的速度和温度超乎想象，而其可靠性在很大程度上依赖于封装的热管理和热控制，正确地选择散热器结合准确的传热机理，才能确保器件工作在安全温度范围。从芯片到封装外壳是散热设计中最重要的组成部分，改善的导热性，提供芯片到外壳的热通道，增强芯片贴装到基板的导热性，改善芯片热分布，发热均匀化，尽可能减少封装到PCB 的热阻，提高器件的散热能力等都是热设计要重点考虑的问题。对器件的外壳进行散热设计，选择正确的冷却措施也是封装热设计的一个最为重要的任务，开发高效率且低成本的散热装置与热设计管理才能最佳化微电子器件散热。参考文献：
［1］SJ 20077-1992，微电路应用热设计指南.
（下转第13页）
第8卷第3期朱军山，金玲：界面分层造成的器件封装失效机理研究
3.5 SEM分析
对开封后的芯片表面做SEM 扫描，可以看到明显的钝化层破损，如图6的箭头所指。由于钝化层是抗腐蚀的材料，硬度很高，因此无论是封装过程的压力还是开封过程的化学品都不会损坏它，可以肯定是层间材料热膨胀系数不同造成的应力使其损坏。但是需要注意的是，分层并没有使钝化层成片的破坏，而只造成了局部开裂。
（1）芯片上部与包封材料接触面是主要分层面。（2）芯片上部的局部分层有向整个芯片延伸的趋势，但是不会延伸到芯片外部区。
（3）分层芯片的失效是由于分层区有水气的聚集，同时有分层引起的钝化层的损坏，使水气进入钝化层下面的互连区，使内部短路。参考文献：
［1］ Richard J.Harries, Suresh K. Sitaraman. Numerical Mod-eling of Interfacial Delamination Propagation in a Novel Peripheral Array Package[J]. IEEE Transactions on Com-ponents and Packaging Technologies, 2001, 2（24）:256-264.
［2］ Takehiro Saittoh, Hidehito Matsuyama, Masayuki Toya.
图6 芯片表面SEM
扫描
Linear Fracture Mechanics Analysis on Growth of Inter-facial Delamination in LSI Plastic Packages under Tem-perature Cyclic Loading——Part 2: Material PropertiesandPackage Geometry Factors[J]. IEEE Transactions onAdvanced Packaging,2000, 3（23）:554-560.
作者简介：
朱军山（1962-），男，湖南株洲人，博士，高级工程师，广东省粤晶高科股份有限公司技术总监；
金玲（1981-），女，湖北黄石人，硕士，广东省粤晶高科股份有限公
司研发工程师。
4 分析结论
由于热膨胀系数的不同，使样品芯片与其上部的塑封料接触面存在分层。这是主要的内部分层。样品存放在环境中，水汽渗透进入，界面空洞成了水分的储存空间。水分与芯片表面的接触，在金属化台阶边缘的钝化层缺陷处，对铝产生腐蚀，并生成带水分子的氢氧化铝。这些带水分子的氢氧化铝具有导电性，这就造成功率管基区金属化与集电区金属化之间的表面漏电，当基极因为芯片表面漏电而得到偏置电压，使内部功率管一直处于导通状态，最终导致击穿短路。根据分析我们得出：（上接第10页）
［2］GB/T 14862-1993，半导体集成电路封装结到外壳热
阻测试方法.
［3］况延香，朱颂春. 微电子封装技术[M]. 合肥: 中国科
学技术大学出版社，2003.
［4］张为佐. 现代功率半导体器件封装[J].电子设计技术，
2004，9: 27-31.
［5］Ralph Monteiro. 功率半导体器件封装技术的发展趋
势[J]. 电子产品世界，2004，1: 83-84.
［6］张猛. 贴片式功率器件的散热措施[J ].电子世界，
2003，4:39-40.
［7］刘益才. 电子芯片冷却技术发展综述[J ].电子器件，
2006，1（29）: 296-300.
［8］周良知. 微电子器件封装——封装材料与封装技术
[M].北京: 化学工业出版社，2006.
［9］徐明详，方佩敏. 大功率器件的冷却措施[J ].今日电
子，2006，6: 41-43.
［10］周建辉，杨春燕.CPU 散热器热分析与优化设计[J].
现代电子技术，2006，18:1-4.［11］www.thcoelectronics.com. ［12］www.infineon.com. ［13］www.irf.com. ［14］www.indium.com.
作者简介：
龙乐，原名韩乐芳，男，高级工程师，长期从事电子封装技术工作，有大量的学术论文发表。
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电电子子与与封装
ELECTRONICS & PACKAGING
总 第59期2008年3月
封装外壳散热技术及其应用
龙 乐
（成都龙泉天生路205号1栋208室，成都 610100）
摘 要：微电子器件的封装密度不断增长，导致其功率密度也相应提高，单位体积发热量也有所增加。为此，文章综述了封装外壳散热技术的基本原理、最新发展及其应用，并简要讨论了封装外壳散热技术的未来发展趋势及面临的挑战。关键词：芯片冷却；散热器；热管理
中图分类号：TN305.94 文献标识码：A 文章编号：1681-1070（2008）03-0006-05
Heat Disspation Technology and Its Applications in Electronic Packaging
LONG Le
（Tiansheng Road 205,1-208, Longquan, Chengdu 610100, China）
Abstract ：As microelectronic device packaging density becomes more complex and compact, its powerdensity and amount of heat disspation increases correspondinngly. Therefore, this paper presents an over-view of the principle for heat disspation technology, the new development and application of heat disspationare also discussed. A brief disussion of the future trends and challenges of package heat disspation technol-ogy are also described.
Key words: chip cooling; heat sink; thermal management
有专家预测，按目前VLSI 功耗的同一方法计算，未
1 引言
在微电子器件中，代表芯片特征的光刻线宽越来越窄，达到45nm 以下，小尺寸、大电流和微弱的电压降，由此引发其发热率持续上升，尤其是超大规模集成电路、功率器件、多芯片组件的集成度、功率密度不断提高，所消耗的功率会转化成热量，使器件的结温上升。以计算机的中央处理器CPU 为例，从奔腾时代的功耗25 W、40 W、65 W上升到奔4的103W·cm-2～105W·cm-2数量级的高热流密度，需要采取相应的散热冷却管理；一些芯片的发热率达到150 W·cm-2，根据国际半导体技术规划ITRS 预估：2006年每块DRAM 的发热量从1W 左右增加到2W ；
来SoC 芯片将有可能达到太阳表面温度。另一方面，器件的主要电参数及性能随温度变化而恶化，在封装外壳结构的设计上，如果不能将芯片结温的热量及时散发出去，抑制器件温升，将会产生过热或温度交变诱生失效、热疲劳、热冲击、裂片、烧毁、可靠性降低等极其严重的影响。据统计，由热所引发的失效约占器件失效的50%以上。
纵观国内外近年来封装外壳散热技术的研发工作，散热技术已成为封装设计与制作以及器件应用方面十分普遍而重要的问题，主要体现在散热器的流体与传热特性分析及优化设计上，研发出一些新的散热冷却装置，将热传递到一个更大的区域来解决散热问题。
收稿日期：2007-11-06
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第8卷第3期龙乐：封装外壳散热技术及其应用
体性能全面提高，即便在设计上完美，也面临着加
2 散热冷却技术的特征
器件的高集成化、大功率化、封装区域小型化，所引发的直接问题是芯片工作温度升高，性能不稳定。降低芯片温度可以有多种方法，可通过版图的合理布局使芯片表面温度尽可能均匀分布，把发热量大的部位分割成许多小子区，或把各小子区安排在芯片的周边附近，防止出现局部过热点，并尽可能降低芯片本体的厚度；封装热设计主要通过合理选择封装结构、键合、烧结工艺，确保芯片与底座的烧结质量，尽可能降低材料之间的热不匹配性，防止发生过大热应力；外壳热设计着重考虑器件应有足够大的散热能力。对于耗散功率较大的器件，为改善管芯与底座的良好接触，在整个热路中选用热导率高的材料，例如，芯片背面金属化和选用绝缘性与导热性好的电子封装复合材料。
很多电子工程师都熟悉用热阻作为一种热分析技术，热阻的表示单位是℃·W-1或K·W-1，热阻越大表示散热能力越差，热阻的物理意义就是热路对热流的阻力，是热的欧姆定律，热阻的大小取决于芯片尺寸、芯片粘接材料及厚度、基板材料及厚度、外壳材质，热阻随热流变化。
为从散发热的途径分析方便考虑，进行降低热阻的设计，将器件封装的热阻分为内热阻和外热阻两部分：内热阻是芯片结温到外壳之间的热阻，主要是热传导，取决于器件封装的内部结构，通过改进设计与使用封装复合材料可降低内热阻；外热阻是器件外壳与环境之间的热阻，主要是热对流，取决于器件的安装、冷却，可通过良好的散热措施解决，即选择使用热沉、散热器、外部冷却系统。表1和表2分别示出常用封装类型的热阻值，由于芯片尺寸大小与封装结构及所用材料的不同，其热阻值是动态的。总热阻为内热阻、接触热阻（焊料、垫片、底座、引线框架等）、外热阻之和，与安装技术、封装形式、散热面积、环境条件有关。散热冷却方式通常有传导、对流和辐射三种，其中热传导的效率最高，散热作用约占60%，热对流约占30%，热辐射只占10%。
目前，已研发出多种可用于封装外壳的散热器，如表3所示，按冷却技术划分主要有三类：空气对流换热（被动、半主动、主动）、液体冷却换热和相变循环系统。由于散热器性能同时受到几
种相互矛盾冲突的参数或特性的作用，很难获得整
工、材料、成本等方面的制约，只能尽量寻求一种平衡。空气对流换热在目前的散热器设计中占有主导地位，被动型空气冷却主要依靠自然对流交换热量。散热器的面积和形状结构大多根据整机的安装条件、热阻来决定，并要求其接触面平整、光滑，确保接触良好以减小接触热阻。一些高热导率材料（银、金刚石等）可制作散热器，但其价格太高，常用的材料主要是铝和铜，聚合基复合、金属基复合、碳/碳复合、陶瓷基复合封装材料，也已部分商业化。高导热率、低电阻率银胶可解决器件高集成和高速化所产生的超大热量及传统低导热率银胶无法克服的散热问题，同时实现粘接、散热及无铅化。
表1 TO型封装的热阻
表2 双列直插封装的热阻
最常见的散热器是用铝材料挤压成型，例如，平板散热器、辐射散热器、叉指散热器，其热阻相对较小。采用铜材制作高性能散热器，研发出铜铝复合型散热器，底部为铜，翅板或肋片为铝，具有更好的散热性能和经济性。散热片多半是矩形，通过螺孔或夹具来使器件紧贴散热片或印制电路板PCB ，有的采用磨床加工，制作成散热针。
3 贴片式封装的散热
贴片式器件与通孔插装式不同，封装体尺寸
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第8卷第3期
电子与封装表3
常用的散热措施
要小得多，其散热器结构不能像CPU 那样，在顶部加装散热器和冷却风扇，采用强制空气冷却散热。封装散热通常按器件热特性和所占据PCB 板面积之比来进行评估，多采用在器件底部设置裸露的散热垫，并与P C B 大面积接触达到散热目的。有的器件采用增加引脚的方式，将热量从引脚传导到PCB ，达到散热效果，此时材料和引脚长度对封装的总体性能至关重要。表4比较了两种常用封装和6个引脚SOT-563
的热性能，它们采
用相同的芯片，引脚越短则热阻越小。为加速冷却散热，也可在PCB 的底部增加一块散热片（或插片），将热量散发到周围介质中去。陶瓷无引线片式载体（CLCC ）封装将散热片直接镶嵌于陶瓷基座的底部，可用于散热功率≥5W 的产品。采用平板式或T 型散热片，其优选材料为铜-钨-铜、铜-钼-铜的三明治结构合金，并改进钎焊工艺，解决散热片的电镀质量问题，确保高密度陶瓷封装外壳的热性能要求。
表4 热性能比较
倒装芯片（FC ）被视为各种高引脚数封装的首选，年复合增长率高达31%。FC-BGA 封装与增强型散热片相结合组成的封装，其散热优势是将芯片直接粘贴在散热片的下面，裸露的散热片直接构成了整个封装结构的顶部，通过封装结构的表面能够进行空气对流，同时又能减小接触热阻和扩散热阻。也可将散热片或插片直接与诸如高热导率材料、散热器、冷却风扇- 8 -
等直接连接在一起，增加散热效果。采用一种带金属散热盖的FC-BGA ，芯片背面与金属散热盖粘贴，金属散热盖四周与基板粘合，其散热能力极大地增强。
一些厂家将BGA 封装引入功率器件，把所有凸点安排到芯片的一侧，此时芯片和封装面积几乎达到100%，芯片实质上是反转过来，通过金属球凸点与PCB 直接焊接，可提供最短的连接距离，在相同的电
第8卷第3期龙乐：封装外壳散热技术及其应用
参数范围，有更小的热阻及引线电感在散热方面比SO-8提高250%。有的低压功率MOSFET 的导通电流已超过100A ，为此开发出Direct FET技术，采用独特的铜质外壳金属帽结构，实现双面散热，散热能力大大增强，从而消除热量对器件性能的严重威胁，SO-8封装的结温到PCB 的热阻大约为20℃·W-1，而同样尺寸的Direct FET封装不到1℃·W-1。并且，在芯片结温与封装外壳顶部之间提供了一条较低的热阻路径，也可采用强迫风冷或导热的填充介质将热传导到一个散热器上，大量的热从器件顶部散发。研发出超小型Direct FET封装，强制通风应用的双面冷却极性PAK 功率MOSFET 。
倒装引脚铸模封装（FCMP ）的结壳热阻降低至0.5℃·W-1，功率BGA 当从顶部散热时，热阻减小到0.5℃·W-1，从封装底部即与PCB 焊接在一起的那一面进行散热时，热阻在1.3℃·W-1左右，从顶部或底部都同样可以进行散热，从而获得更好的性能。
转速，减小噪声，提高寿命，并相应地研发出各种风扇控制集成电路，与温度检测传感器相结合的微型冷却风扇组件系统是发展方向。
微型冷却风扇组件系统由风扇、温度传感器、散热片、功率驱动器件、控制集成电路等构成，可实现散热系统管理。有的厂家在系统内部设定风扇工作的阈值温度，例如每间隔5℃有一个阈值供用户选择，当温度超过阈值温度15℃时，有超温报警信号输出；超过阈值温度30℃时，有过热关闭信号输出，可关闭耗散功率大的器件或关闭提供该器件的电源，防止器件过热损坏。另一方面，可根据器件的温度变化，控制风扇的转速（P W M 控制），以最佳的控制方式调节空气流量。
5 液体散热冷却装置
液体散热冷却装置的散热效率最高，已开发出多种基于液体组件构成散热冷却的、可用于封装外部的装置，包括喷气流冷板、喷雾冷却器、水气室、热管以及浸没式系统等，其不足之处是需要泵或者其他液体驱动组件，这可能在泄漏、有限寿命、增加额外重量等方面存在问题。采用液体循环冷却的强制热散发FTS 组件，研发出带主动散热BGA 封装，在塑料封装中，将具有微细管道阵列的组合体直接与芯片粘接，可有效地降低整个封装系统的热阻。FTS 是带有驱动泵集成的嵌入式液体系统，管道中液体流速为（0.5～1.0）L·min-1之间，总的液体压降仅为（15～20）kPa （2～3）psi ，中心部位的微型管道阵列具有很高的热对流系数，这种主动散热BGA 封装的热性能如表5所示。其封装表面的温度分布更为均匀，可提高外部散发热量，在无需增加其他液体冷却组件的情况下，能散发超过1 200 W·cm-2
的热流量。
4 微型冷却风扇
迈入新千禧年以来，Intel 和AMD 之间的CPU 频率大战几乎同时遇到了散热和功耗问题，CPU 的高热流密度产生了一股不可抗拒的发展瓶颈，应用专用微型风扇冷却CPU 的强迫空气对流主动式散热器应运而生，强化对流散热方式的散热效率比自然冷却散热高2～4倍，可将CPU 核心热量迅速导出，相对于液体冷却散热无须额外冷却介质，装置简单，具有良好的可靠性，目前获得广泛应用。
一般常用的是直流轴流型无刷电机组成微型冷却风扇，其形状多为正方形，转速从数千个rpm （转/分）到小型磁悬浮轴承风扇的上万rpm ，空气流量从零点几个CFM （立方英尺/分）到几十个CFM ，为适应市场需求，研发出低功耗、超小型冷却风扇，增加
表5 主动散热BGA 封装热性能
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第8卷第3期
电子与封装
境有效地得到控制。其技术优势是结构较简单，基本无可动部件，无污染，无噪声，科研成功的样品离实用化尚有较大差距，还有很多未知的理论问题没有定论。6.3 超微冷冻机
超微冷冻机是由美国MMR 公司所研发的一种微小型低温冷冻机，它利用高压气体经由焦耳汤姆逊膨胀作用，快速获得冷却效果。仅需要一个火柴大小的装置，就拥有将温度降低至绝对温度70K 的工作能力，能精确地控制温度0.1K ，被实际应用于导弹内电子零部件的冷却。6.4 芯片级散热
器件的散热问题始终是应用要面临的难题，尤其是军用设备所面对的挑战：空间小，挤满了各类元器件以及在极限温度下必须正常运行的高功率装备、车辆等。
一项美国国防部资助750万美元的“多学科大学研究建议”的新项目，试图解决芯片级的散热问题。旨在研究微细加工、纳米技术、系统控制方法，降低大规模高温电子设备中的芯片温度，研究控制各种液体流经微型设备时的热量传导机制，比较微通道结构，探索悬浮在液体冷却剂中的纳米粒子影响。并将开发一种大型的系统仿真器，用于军用设备的冷却系统，在实施其进行虚拟原型机试验。
热管也是一种传热效率极高的换热元件，冷热流体间的热量传递是靠热管内工作介质蒸发和冷凝的相变过程耦合在一起的，冷却能力极强。热管有管状、平板状、多肋片状或组合状等，也有制作成柱状、圆角形、S 形、螺旋形的，其工作流体多选用高纯水、硅油、丙酮或液氨等。以水为流体直径0.6cm 的15cm 长的水平循环热管可传导热量300W ，用于大功率器件的热管散热器的散热达到200 W·cm-2，实际应用主要是热管的使用寿命问题。
芯片的微型化要求散热器有同样程度的微型化和集成化，集成式微冷却器结合了微流道散热器及微热管均热片工作原理，此构想包括微热管均热片、微流道散热器、微型泵及管路等。微流道散热器采用微机械电子系统（MEMS ）技术，在硅基板（甚至硅芯片背面）或金属基板上，制作许多微沟槽，再结合封装形成闭环封闭的流道，端口再与支管接合，作为冷却液体的出入口，基板的另一面与芯片接合，芯片热源直接传导给散热器，并由强制液体、液体相变带走，减小不必要的热阻。硅基板的热传导系数高于一般基板材料很多，且其热膨胀系数与硅芯片相同，其最佳的热传导性能和应用潜力均已获得验证。
6 散热冷却发展趋势
目前，除了整合微型风扇、散热片、液体冷却、热管或利用高热传导材料，提高散热效率之外，工程师们开始研发一些新的散热方式，其发展前景倍受关注。6.1 半导体制冷器
半导体制冷器是利用帕尔帖效应的温差热电制冷，将电能转变成冷或热，其一端面制冷，而另一端面发热。为了达到更好的制冷效果，往往在发热端增加一个散热风扇。也可采用串联方式的级联，增加制冷深度，提高制冷效率。用于各种不同目的半导体制冷器的结构、尺寸、形状也是不尽相同的，可用于计算机CPU 、功率器件、模块、仪器、机箱的散热冷却，尺寸小，体积可不到1cm 3，重量几克或数十克，无机械转动部分，无噪声。功率器件配置半导体制冷器时，强化散热提高器件使用功率达数十倍。6.2 微型热声制冷器
微型热声制冷器一般由微驱动器、谐振腔、回热器和热交换器结合在一起构成，利用MEMS 技术实现一体化。采用模块化工艺线路，冷却模块可根据需要来合理布置在芯片表面，消除热点并使芯片的温度环- 10 -
7 结束语
新一代微电子器件的速度和温度超乎想象，而其可靠性在很大程度上依赖于封装的热管理和热控制，正确地选择散热器结合准确的传热机理，才能确保器件工作在安全温度范围。从芯片到封装外壳是散热设计中最重要的组成部分，改善的导热性，提供芯片到外壳的热通道，增强芯片贴装到基板的导热性，改善芯片热分布，发热均匀化，尽可能减少封装到PCB 的热阻，提高器件的散热能力等都是热设计要重点考虑的问题。对器件的外壳进行散热设计，选择正确的冷却措施也是封装热设计的一个最为重要的任务，开发高效率且低成本的散热装置与热设计管理才能最佳化微电子器件散热。参考文献：
［1］SJ 20077-1992，微电路应用热设计指南.
（下转第13页）
第8卷第3期朱军山，金玲：界面分层造成的器件封装失效机理研究
3.5 SEM分析
对开封后的芯片表面做SEM 扫描，可以看到明显的钝化层破损，如图6的箭头所指。由于钝化层是抗腐蚀的材料，硬度很高，因此无论是封装过程的压力还是开封过程的化学品都不会损坏它，可以肯定是层间材料热膨胀系数不同造成的应力使其损坏。但是需要注意的是，分层并没有使钝化层成片的破坏，而只造成了局部开裂。
（1）芯片上部与包封材料接触面是主要分层面。（2）芯片上部的局部分层有向整个芯片延伸的趋势，但是不会延伸到芯片外部区。
（3）分层芯片的失效是由于分层区有水气的聚集，同时有分层引起的钝化层的损坏，使水气进入钝化层下面的互连区，使内部短路。参考文献：
［1］ Richard J.Harries, Suresh K. Sitaraman. Numerical Mod-eling of Interfacial Delamination Propagation in a Novel Peripheral Array Package[J]. IEEE Transactions on Com-ponents and Packaging Technologies, 2001, 2（24）:256-264.
［2］ Takehiro Saittoh, Hidehito Matsuyama, Masayuki Toya.
图6 芯片表面SEM
扫描
Linear Fracture Mechanics Analysis on Growth of Inter-facial Delamination in LSI Plastic Packages under Tem-perature Cyclic Loading——Part 2: Material PropertiesandPackage Geometry Factors[J]. IEEE Transactions onAdvanced Packaging,2000, 3（23）:554-560.
作者简介：
朱军山（1962-），男，湖南株洲人，博士，高级工程师，广东省粤晶高科股份有限公司技术总监；
金玲（1981-），女，湖北黄石人，硕士，广东省粤晶高科股份有限公
司研发工程师。
4 分析结论
由于热膨胀系数的不同，使样品芯片与其上部的塑封料接触面存在分层。这是主要的内部分层。样品存放在环境中，水汽渗透进入，界面空洞成了水分的储存空间。水分与芯片表面的接触，在金属化台阶边缘的钝化层缺陷处，对铝产生腐蚀，并生成带水分子的氢氧化铝。这些带水分子的氢氧化铝具有导电性，这就造成功率管基区金属化与集电区金属化之间的表面漏电，当基极因为芯片表面漏电而得到偏置电压，使内部功率管一直处于导通状态，最终导致击穿短路。根据分析我们得出：（上接第10页）
［2］GB/T 14862-1993，半导体集成电路封装结到外壳热
阻测试方法.
［3］况延香，朱颂春. 微电子封装技术[M]. 合肥: 中国科
学技术大学出版社，2003.
［4］张为佐. 现代功率半导体器件封装[J].电子设计技术，
2004，9: 27-31.
［5］Ralph Monteiro. 功率半导体器件封装技术的发展趋
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［7］刘益才. 电子芯片冷却技术发展综述[J ].电子器件，
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作者简介：
龙乐，原名韩乐芳，男，高级工程师，长期从事电子封装技术工作，有大量的学术论文发表。
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