熱管理技術系列:半導體電子元器件的散熱解決方案

一、半導體發展趨勢

過去幾年，全球半導體行業增長主要依賴智慧型手機等電子設備的需求，以及物聯網、雲計算等技術應用的擴增。全球半導體行業總收入將從2018年的4,810億美元增長到2019年的5,150億美元，且增長態勢有望持續至下一個十年。主要市場驅動力量包括現有產品的持續強化、人工智慧產品和5G網絡等新興技術的融合，以及汽車和工業電子行業的迅速增長。半導體行業的大部分收入將來自於數據處理類電子（如存儲和雲計算）以及通訊電子（如無線通訊）。

二、半導體晶片封裝

自1965年發明第一個半導體封裝以來，半導體封裝技術得到了極大的發展，製造了數千種不同類型的半導體封裝。下圖展示了半導體封裝的歷史。特別地顯示了半導體封裝的兩大趨勢，引腳數的增加和更小尺寸的晶片。

目前，大多數半導體器件都一體化封裝，以防止損壞晶片和連接線。塑模增加了晶片的總面積，增加總成本和降低晶片的電氣性能。

但是半導體封裝也有一些實質性的優勢。半導體封裝使晶片和PCB之間的電子連接成為可能，這種封裝有助於將密集的晶片擴展到更大的區域，PCB的布局和組裝可以很容易地進行。半導體封裝的責任是將晶片產生的熱量散發到一個大的表面上，使得晶片可以在高溫環境下繼續正常工作。

（1）高引腳數半導體封裝

在80年代，晶片變得更大，集成了更多的功能。半導體封裝技術不得不解決越來越多增加的IO接口，而引入PGA (Pin Grid Array)和BGA (Ball Grid Array)封裝。

在開始，每個BGA/PGA封裝是基於陶瓷基板，但今天由於低成本和高端應用，層壓材料（Laminate）成為了主要來源。層壓材料是BGA基片的一個低成本的解決方案的，可以支持低、高性能的應用。在90年代，CSP(Chip Scale Package))被引入以解決高引腳數和小尺寸的要求，CSP封裝本質上是一個小尺寸的BGA和更小的焊球。

在90年代，半導體封裝的第二個趨勢已經開始，它是微型化。這一趨勢明顯受到行動裝置的推動，如筆記本電腦和手機，它們要求「接近晶片尺寸」類型的封裝，以消除成本和面積。

QFN封裝作為CSP(晶片級封裝)的一種，被引入到晶片級封裝中。QFN封裝已成為最成功的封裝類型，因為它的簡單，性能和價格。還開發了WLCSP(bumping)封裝，它是目前最小尺寸的包裝，因為封裝尺寸等於晶片尺寸。

三、晶片的能量損失

晶片的能量損失由開關能量損失、短路能量損失和漏電流損失三部分構成。絕大部分晶片能量損失以熱量形式耗散。對絕大多數數字器件而言，通常認為所有的能量損失都以熱量形式損失；而對於射頻元件，熱量損失等於能量消耗減去輸出射頻信號能量。

半導體技術走勢表面近幾十年來電子設備熱量耗散持續增加，而且在可以遇見的將來會成為高端電子設備製造的限制因素。如果不能有效散熱，將導致電子設備過熱，溫度升高，並可能導致失效。

四、與溫度相關的失效

如果產生的熱量沒有被有效擴散,溫度將會上升。如果溫度上升超過某一上限，就會出現如圖所示的設備燒毀或者著火的情況。即便沒有發生上述情況,也會由於高溫導致設備失效。一些研究表明高溫是導致微電子設備失效的最主要因素。微電子設備失效通常被分為機械失效、腐蝕失效和電氣失效。

（1）機械失效

機械失效包括過度變形、屈服、裂隙、斷裂或者兩片材料結合處的分離。當材料受力後產生的壓力(單位面積上的力)高於材料的屈服強度，或者兩塊材料的結合處承受不了剪切或者拉伸力，或者低強度力的重複施加產生疲勞都會引發機械失效。

熱膨脹係數(CTE)是指材料單位溫度變化所導致的單位長度的膨脹或收縮量，其定義如式所示。

P表明在α測量期間壓力保持不變，這時材料長度的改變僅是溫度變化所致。熱膨脹係數的單位是ppm/℃。

由於結合材料的熱膨脹係數不同，溫度隨時間變化和空間溫度梯度會導致相關的機械故障，包括拉伸、壓縮、彎曲，疲勞和斷裂故障。引線疲勞：由於周期性溫度變化,連接晶片和基板的引線可能會失效。這種失效是作用在引線上的循環應力所致。由於引線和封裝材料的熱膨脹係數不同,設備加熱和冷卻時就會在引線上產生循環應力。鍵合點疲勞：在引線和鍵合點以及鍵合點和基板間，由於溫度周期變化產生周期剪切應力，儘管剪切應力可能不大，不能很快破壞鍵合點，但是其周期性變化可能導致鍵合點疲勞斷裂。晶片斷裂：晶片通常的材料是矽、鍺、砷化鎵和磷化銦。基板材料通常是氧化鋁、鈹和氮化鋁，具有和晶片不同的熱膨脹係數。在溫度和功率循環時溫度循環量級增大的時候，晶片中間部分形成拉力面邊緣部分形成剪切力。最終，當晶片中間或邊緣的表面裂紋到達臨界尺寸時，在沒有塑性變形的情況下會出現突然斷裂。晶片和基板的粘合疲勞：由於晶片、粘合劑、基板的熱膨脹係數不同，晶片和基板間的粘合處會產生疲勞失效。塑科封裝裂紋：矽和塑模熱膨脹係數不同,分別為3x10-6℃和20x10-6℃。典型的封裝過程中,使用聚醯亞胺粘合劑時晶片和粘合劑在270℃環境下焊接；使用環氧粘合劑時，晶片和粘合劑在170℃環境下焊接，接下來是在170℃環境下塑模的封裝和固化。在較低的工作溫度下，晶片受到壓力而塑模承受張力。因此，塑模中裂隙形成擴張。

（2）腐蝕失效

腐蝕是指材料與周圍環境間的化學反應。腐蝕分為兩種:幹腐蝕和溼腐蝕。幹腐蝕如鋁在空氣中氧化；溼腐蝕則需要電解液、潮溼環境或者電動勢驅動。

金屬和鍵合點腐蝕：這是一種溼腐蝕機制。有C1-或者Na+雜質和水分的情況下，相鄰導體間有漏電傳導通道。封裝內部溫度低於露點溫度時，水蒸氣結，很容易發生腐蝕。晶片工作時，晶片散熱足以蒸發電解液，緩和潮溼問題。所以，設備工作時可以減緩腐蝕過程。

封裝中應力腐蝕：這種失效源於裂紋擴張中的腐蝕加速了疲勞過程。這種腐蝕在300℃以上的溫度時容易出現，主要在功率器件中出現。

（3）電氣失效

電氣失效是指影響設備性能的失效。這種失效可以是間歇的，也可以是持續的。

熱逸潰：電晶體的導通電阻隨溫度增加而增大。如果電晶體的熱量沒有及時有效擴散，溫度將會上升，引起導通電阻增加，這又會導致更高的熱量和更高的溫度，發生熱逸潰。

電過載：溫度升高時矽的電阻下降。矽晶片升溫時，電阻下降，形成更大電流，反過來又進一步使晶片升溫。如果到達材料熔點，會引起永久損傷。

離子汙染：封裝、互連、裝配、測試、工作過程中都會引起汙染。離子電:遷移率是與溫度相關的。流動的帶電離子會產生不受控的電流，降低設備的性能。高溫烘烤和老化測試時暴露在高溫環境中可以篩選離子汙染失效。

電遷移：在電場中，導電離子或者原子運動是電子動量遷移的結果。這使離子或者原子從原來位置遷移並因而產生一個空隙。如果大量離子或原子遷移，空隙會加大並連接，產生間斷點或者斷路。電遷移也能引起導體原子累積並向臨近導體漂移，產生短路。

五、熱設計對電子設備的重要性

電子設備製造商規定了設備工作的最高允許溫度。如果高於這個溫度，就不保證預期性能和壽命。所以，給電子設備冷卻，使之工作在最高允許溫度以下非常重要。隨著高性能微電子設備投入市場，設備的散熱量更大，需要使用效率更高的冷卻技術來保持設備在允許溫度下工作。

電子設備工作在較低溫度下有很多好處。隨著溫度降低，微處理器的時鐘頻率增加,性能提高。另外,溫度的降低會減少前述與溫度相關的故障的概率。

在電子設備設計中，除了性能提高和可靠性增加必須要求電子設備具有良好散熱性能以外，消除噪聲、減少能量消耗、降低設備造價也需要有良好的散熱。如果設備通過某種途徑合理散熱風扇的噪聲、能量消耗和費用將會降低。特別是對於客廳和臥室的電器來說，低噪聲是一項重要指標；對於消費性電子產品來說，低造價很重要；無論是大型還是小型電器，低能量損耗都是很重要的。

六、半導體電子元器件的散熱解決方案

在電子器件的高速發展過程中，電子元器件的總功率密度也不斷的增大，但是其尺寸卻越來越較小，熱流密度就會持續增加,在這種高溫的環境中勢必會影響電子元器件的性能指標，對此，必須要加強對電子元器件的熱控制。如何解決電子元器件的散熱問題是現階段的重點。對此，接下來主要對電子元器件的不同散熱方案進行簡單的介紹和分析。

（1）選擇高導熱性材料

材料性能是決定散熱好壞的重要因素，研發較高熱導率的材料是解決電子散熱的根本途徑。

（2）翅片散熱器

翅片散熱器是一種傳遞熱量的被動熱交換裝置。散熱片通常是一個金屬的部件，它可以附著在設備上，通過增加工作表面積和增強表面低溫流體的流動將熱量散發到周圍的流體中，以防止設備過熱。

（3）界面填充材料

熱界面材料（Thermal Interface Material）是用於塗敷在散熱器件與發熱器件之間，降低它們之間接觸熱阻所使用的材料的總稱。凡是表面都會有粗糙度，所以當兩個表面接觸在一起的時候，不可能完全接觸在一起，總會有一些空氣隙夾雜在其中，而空氣的導熱係數非常之小，因此就造成了比較大的接觸熱阻。而使用熱界面材料就可以填充這個空氣隙，這樣就可以降低接觸熱阻，提高散熱性能。

（4）熱管

熱管式一種無源被動器件，工作原理是飽和液體從較高溫側吸熱汽化，飽和氣體向較低溫側放熱冷凝。由於大多數電子設備的工作溫度範圍是25-150℃，因此水熱管是最常用的。具有很高的導熱性、優良的等溫性、熱流密度可變性、熱流方向可逆性、可遠距離傳熱、恆溫特性（可控熱管）、熱二極體與熱開關性能等一系列優點，並且由熱管組成的換熱器具有傳熱效率高、結構緊湊、流體阻損小等優點。

（5）液體強制對流冷卻

液冷是使用液體在泵的帶動下強制循環帶走散熱器的熱量，與風冷相比具有安靜、降溫穩定、對環境依賴小等等優點。但液冷的價格也相對較高，安裝也相對麻煩一些。

（6）風扇強制對流冷卻

風冷散熱是最常見的，而且非常簡單，就是使用風扇帶走散熱器所吸收的熱量。價格相對較低，而且安裝簡單，但對環境依賴比較高，例如氣溫升高散熱性能就會大受影響。

（7）空氣射流冷卻

射流衝擊冷卻是強迫對流傳熱方式中傳熱效率最高的方式之一，在射流衝擊中，介質一般是空氣和水，具有容易取得、成本低廉、安全無汙染等優點。射流衝擊技術的工作介質為空氣，當氣流以較高的速度衝擊電子元器件表面，並與電子元器件表面產生非常薄的氣體邊界層時，氣體與電子元器件間保持較高的對流換熱係數。

（8）均熱板

均熱板是一個平、薄的二維熱管，均熱板常被看做為導熱係數很高的熱擴散器。

（9）熱電製冷

熱電半導體製冷利用一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯結成電偶對時，在這個電路中接通直流電流後，就能產生能量的轉移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端，從而產生導熱作用。

（10）相變散熱

利用物質相態變化，釋放潛熱的技術，稱為相變散熱技術。

（11）微流道散熱

微通道，也稱為微通道換熱器，就是通道當量直徑在10-1000μm的換熱器。這種換熱器的扁平管內有數十條細微流道，在扁平管的兩端與圓形集管相聯。集管內設置隔板,將換熱器流道分隔成數個流程。

（12）增強輻射的表面塗層材料

強化輻射傳熱有兩條途徑，一是增大有效熱輻射面積，一是提高的表面熱輻射率。提高物體表面熱輻射率的方法主要有鋁表面陽極氧化、噴漆以及噴塗輻射散熱塗料。例如：油漆，碳化矽，納米碳球，輻射散熱塗料等。

（13）液浸散熱

利用熱交換的原理，將伺服器完全浸沒在一種特殊的冷卻液裡，冷卻液吸熱氣化之後，將直接吸收進入外循環冷卻，被液化之後再次用於散熱。

（14）電流體流動散熱

如果在尖銳電極(如金屬絲)和鈍電極(如金屬板)之間作用較大的電壓差，則會在尖銳電極附近產生的強烈電場將其附近的部分空氣分子電離。這些帶電的空氣分子在電場的作用下從尖銳電極(即電暈極)向鈍電極(即集電極)移動。隨著這些帶電空氣分子向集電極移動，它們與其他中性的空氣分子相互碰撞，向它們傳遞動量，產生向集電極的一團氣流。如果將電壓差作用在一團強制對流氣流上，如散熱器中翅片間的流動或是外掠平板流動，離子風就會扭曲邊界層，因此增加局部換熱量。已經觀察到離子風可以使低速層流流動的局部對流換熱係數增加200%以上。

（15）兩相浸液冷卻

與單相液體冷卻相比，兩相冷卻可以實現更節能、更均勻的冷卻，更好的散熱，並減少泵送功率，而在單相液體冷卻過程中，液體始終保持液態。

（16）壓縮機製冷

壓縮機製冷從吸氣管吸入低溫低壓的製冷劑氣體，通過壓縮機對其進行壓縮後，向排氣管排出高溫高壓的製冷劑氣體，為製冷循環提供動力，從而實現壓縮→冷凝→膨脹→蒸發（吸熱） 的製冷循環。如空調、冰箱。

後記：

熱設計工程師職責描述：
1、負責產品系統熱設計工作，組織解決熱設計疑難問題，具備產品工程技術方案實施和解決問題的全面協調能力，對產品或整機平臺的質量、成本、計劃、進度和客戶滿意度以及產品的關鍵工程技術解決有重要的影響；
2、負責模塊熱設計和熱驗證測試全流程工作：需求分解分配、規格分析、系統熱設計方案制定、模塊熱設計方案、熱測試驗證方案、市場關鍵問題定位與解決。
熱設計工程師任職要求：
1、具備電子設備熱設計、熱能工程、低溫與製冷、動力工程、流體力學、熱工控制、工程熱物理等相關專業知識；
2、掌握熱力學三大定律傳導、對流、輻射原理和並能靈活應用；
3、掌握電子電路發熱機理、控制發熱基本手段；
4，掌握散熱相關物料基本的結構、工藝等技術；
5，熟練掌握Flotherm，Icepack，Fluent等熱仿真軟體；
6，對ProE、Solidworks、CAD、Allegro等相關對3D圖紙、2D圖紙、PCB圖紙等應具備基礎應用能力；
7，具備對電路原理圖、電源拓撲圖的基礎能力；
8，具備PC產品溫升、噪音測試環境搭建和測試能力。

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