IC封裝熱阻的定義與測量技術

熱阻值用於評估電子封裝的散熱效能，是熱傳設計中一個相當重要的參數，正確了解其物理意義以及使用方式對於電子產品的設計有很大的幫助，本文中詳細介紹了熱阻的定義、發展、以及測量方式，希望使工程設計人員對於熱阻的觀念以及測量方式有所了解，有助於電子產品的散熱設計。

介紹

近年來由於電子產業的蓬勃發展，電子組件的發展趨勢朝向高功能、高複雜性、大量生產及低成本的方向。組件的發熱密度提升，伴隨產生的發熱問題也越來越嚴重，而產生的直接結果就是產品可靠度降低，因而熱管理（thermal management）相關技術的發展也越來越重要【1】。電子組件熱管理技術中最常用也是重要的評量參考是熱阻（thermal resistance），以IC封裝而言，最重要的參數是由晶片接面到固定位置的熱阻，其定義如下：

熱阻值一般常用θ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為輸入的發熱功率。熱阻大表示熱不容易傳遞，因此組件所產生的溫度就比較高，由熱阻可以判斷及預測組件的發熱狀況。電子系統產品設計時，為了預測及分析組件的溫度，需要使用熱阻值的資料，因而組件設計者則除了需提供良好散熱設計產品，更需提供可靠的熱阻資料供系統設計之用【2】。

對於遍布世界各地的設計及製造廠商而言，為了要能成功的結合在一起，必須在關鍵技術上設定工業標準。單就熱管理技術而言，其中就牽涉了許多不同的軟硬體製造廠商，因此需透過一些國際組織及聯盟來訂定相關技術標準。

本文中將就熱阻的相關標準發展、物理意義及測量方式等相關問題作詳細介紹，以使電子組件及系統設計者了解熱阻相關的問題，並能正確的應用熱阻值於組件及系統設計。

封裝熱傳標準與定義

在1980年代，封裝的主要技術是利用穿孔（through hole）方式將組件安裝於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方式是將導線架材料由低傳導性的鐵合金Alloy42改為高傳導性的銅合金。
隨著技術的提升，從1990年代開始，半導體及電子封裝技術已經有了很大的進步，為了增加組裝密度，組件的安裝方式採用表面粘著(surface mount)技術，雖然機板採用更多電源層的多層銅箔的機板，然而所產生的熱傳問題卻更為嚴重。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）的封裝型式開始發展，由於面數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，使封裝技術朝向更進一步的演進，產生的熱傳問題也較以往更為嚴重。

早期的電子熱傳工業標準主要是SEMI標準【3】，該標準定義了IC封裝在自然對流、風洞及無限平板的測試環境下的測試標準。自1990年之後，JEDEC JC51委員會邀集廠商及專家開始發展新的熱傳工業標準，針對熱管理方面提出多項的標準【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，熱管理相關標準整理成如圖一之表格分布。和SEMI標準相比，雖然基本測量方式及原理相同，但內容更為完整，另外也針對一些定義做更清楚的說明【5】。
　

Standard Published

Standard Proposed

In committee work group

Standard Suggested

圖一 JEDEC JC15.1 會議訂定之已發表標準、提出之標準及建議之標準

SEMI的標準中定義了兩種熱阻值，即Θja及Θjc，其中Θja是測量在自然對流或強制對流條件下從晶片接面到大氣中的熱傳，如圖二（a）所示。由於測量是在標準規範的條件下去做，因此對於不同的基板設計以及環境條件就會有不同的結果，此值可用於比較封裝散熱的容易與否，用於定性的比較，Θjc是指熱由晶片接面傳到IC封裝外殼的熱阻，如圖二（b），在測量時需接觸一等溫面。該值主要是用於評估散熱片的性能。
　

隨著封裝型式的改變，在新的JEDEC標準中增加了Θjb、Ψjt、Ψjb等幾個定義，其中Θjb為在幾乎全部熱由晶片接面傳到測試板的環境下，由晶片接面到測試板上的熱阻，如圖二（c）所示，該值可用於評估PCB的熱傳效能。Ψjx為熱傳特性參數，其定義如下

Ψ和Θ之定義類似，但不同之處是Ψ是指在大部分的熱量傳遞的狀況下，而Θ是指全部的熱量傳遞。在實際的電子系統散熱時，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Ψ之定義比較符合實際系統的測量狀況。Ψjt是指部分的熱由晶片接面傳到封裝上方外殼，如圖二（d）所示，該定義可用於實際系統產品由IC封裝外表面溫度預測晶片接面溫度。Ψjb和Θjb類似，但是是指在自然對流以及風洞環境下由晶片接面傳到下方測試板部分熱傳時所產生的熱阻，可用於由板溫去預測接面溫度。
　

雖然標準下之各種熱阻測量值可應用於實際系統產品之溫度預測，但是實際應用時仍然有很大的限制。使用標準的Θja、Θjb、Ψjt、Ψjb等測量參數於系統產品的溫度預測時，需注意標準測試條件所用的測試板尺寸、銅箔層及含銅量，也應注意測量時所採用的自然對流及風洞環境和實際系統的差別為何。

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，只要符合標準方式，就可以比較其散熱狀況，對於封裝散熱設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值仿真的驗證及簡化之用。

　

熱阻測量方法介紹

由於一般IC封裝時晶片接面會被封裝材料蓋住，而無法直接測量晶片工作時其接面發熱的溫度，因此熱阻測量所採用的方式一般是利用組件的電性特性來測量，例如晶片上的二極體或電晶體的溫度及電壓特性。電性連接的方式如圖三所示【6】，以二極體而言，由於其順向偏壓和溫度會呈線性關係，因此可用來做為溫度敏感參數(Temperature Sensitive parameter)。由於一般實際的晶片上並不一定有容易測量的二極體接腳，再加上許多封裝需在封裝實際晶片之前就要測量封裝之熱阻值，因此大部分是採用熱測試晶片（thermal test chip）來進行封裝的熱阻測量如圖四所示【6】。熱測試晶片的製造目前已有許多廠商的產品可供利用，其一般的設計標準在SEMI 320-96、JEDEC JESD51-4以及MIL883等標準中有詳細的介紹，一般的熱測試晶片中包括了溫度感應組件、加熱用電阻以及用來連接的金屬墊，有的晶片之間有電橋之設計，可使晶片做不同面積之組合，圖五為兩種熱傳測試晶片。

圖三 　利用組件中二極體測試的實驗【6】

圖四　利用熱測試晶片測試的實驗【6】

圖五 兩種不同的熱測試晶片設計(a)Delco (b)IMECPTCA

測量之前的準備工作首先將和真實晶片相同大小的熱測試晶片依各種封裝型式的需求封裝起來，再依其粘著方式焊接於測試板上，如圖六所示。熱測試板有兩層板及四層板兩種，仿真低熱導性板及高熱導性板兩種狀況。將封裝上有訊號傳出的接腳以細電線連接到測試板下方的金手指，將測試板插入連接器中，接出所需的訊號。由於熱測試晶片的供應電流、輸出電壓以及電阻值各供應廠商都有提供測量值，測量前最好先以電錶及定電源供應器確定訊號線的連接是否正確。以下將介紹Θja、Θjb以及Θjc之測量方式。

圖六 兩種不同封裝之測試板設計(a)面數組型式（b）導線架接腳型式

1. Θja之測量

其測量過程分為溫度敏感係數的校正以及自然和風洞測試環境的測量兩個部分。其主要設備包括電錶、定電流供應器、電源供應器、溫度記錄器、恆溫箱、自然對流測試箱以及風洞裝置。測量時首先需決定封裝的溫度敏感參數TSP（temperature sensitive parameter），該值為二極體之輸出電壓值。供應微小電流到封裝中，將封裝置於恆溫箱中加熱到固定溫度，等到封裝內部及環境溫度到達穩定，測量封裝表面的溫度值，記錄二極體電壓輸出（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（K factor）。

圖七 TSP參數校正線
　

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，輸入固定電源加熱晶片，記錄輸出電壓，利用溫度校正線換算晶片接面的溫差值，如式（4）所示，再利用式（5）計算出熱阻值。

圖八 自然對流封裝測試

其中TA0為輸入電源前的溫度，而TAss為到達穩定狀態時的溫度。作風洞實驗時，如圖九所示，先將封裝及測試板放置於風洞中固定位置，調節風洞固定風速，再輸入不同電源加熱晶片，記錄在不同風速下的輸入電源、輸出電壓及環境溫度，利用溫度校正線算出晶片接面溫度，再利用式（1）計算出熱阻值。

圖九 封裝熱阻測試風洞

2. θjc之測量

θjc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，由於封裝的熱會經由接腳或錫球傳遞，因此在一般環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晶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，即由晶片接面到封裝外殼之熱阻θjc、接口材料之熱阻θi以及散熱片或冷板(cold plate)之熱阻θcp，其測試裝置如圖十所示，其中θi為常數，在瞬時下測量θjx、θcp之值，由下式可算出θjc之值。由於利用瞬時特性，因此可避免等溫面等問題。

圖十 θjc測量裝置【7】

3. θjb之測量

Θjb之測量在JEDEC51-8中有詳細的記載，需利用環型冷板（ring cold plate），將測試板及封裝夾於中間，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，離接腳最小5mm的距離，將熱電偶焊接於封裝接腳以測量板溫，封裝及測試板的正上下面則以絕緣材料以隔絕熱散失，需注意挾持的力量大小。測量時首先需測量封裝之K因子，其方式如上所述，將測試板及封裝夾入環型冷板中，等溫度達到平衡，測量板溫及TSP值之變化，利用 (7)式算出熱阻值。

圖十一 θjb測量裝置及示意圖

　

結論

熱阻值是電子組件設計時很重要的參數，因此如何精確的量出熱阻值就成為很重要的技術。本文中就熱阻相關標準的發展、物理意義及測量方式等相關問題作詳細介紹，希望使電子組件及系統設計工程師能明了熱阻值的相關原理及應用，以解決組件及系統過熱問題。
然而利用標準的測量方法測量出的熱阻值在設計應用時仍然須注意一些重點，當系統環境與標準的測試環境不同時（如PCB的大小及風速）熱阻值會有所不同，因此利用標準方式量出的熱阻值最好是作為性能比較或是數值驗證之用，用作實際設計時則僅供參考，否則會產生較大的誤差。為了克服這個缺點，目前發展的新技術稱為精緻模型(compact model)，希望能透過更詳細的測量及仿真分析使熱阻值成為熱阻網絡，因此在系統設計應用時較不受環境的影響。儘管如此，由於測量程序較為複雜，因此應用仍然不廣。封裝及系統設計者需了解熱阻值的定義及應用方式，才能做好最佳化的熱傳設計。

（作者為工研院電子所構裝中心工程師）