第5章 芯片封装和电路板的热特性¶
表面 \(A_{1}\) 的辐射热阻： \(R = \frac{1 - \varepsilon_1}{\varepsilon_1A_1}\) (5-9)
式中， \(A_{1}\) 和 \(A_{2}\) 为两个物体相互辐射的表面积； \(F_{1-2}\) 为辐射角系数； \(\varepsilon_{1}\) 为表面 \(A_{1}\) 的辐射率。
辐射换热是一个相对复杂的过程，辐射热阻通常应用于热阻网络法计算中。由于角系数相对难以求解，辐射热阻在电子产品散热设计中应用较为有限，它提示的意义更多是角系数、辐射率等对辐射换热的影响。角系数指一个表面发射出的辐射能中，落到另一个表面的百分数，是反映相互辐射的不同物体之间几何形状与位置关系的系数。角系数是一个几何因子，与两个表面的温度及发射率没有关系。
通过辐射换热热阻的公式可以看出，提高角系数和增大辐射表面积都有助于缩小空间辐射热阻，而增大表面辐射率，则可以减小表面辐射热阻。这就是自然散热设计中强化辐射换热的根本理论依据。
5.2.3 芯片热特性的热阻描述¶
在芯片的规格书中，对散热设计最有帮助的有三个值为功耗、温度要求和热阻参数，本节将介绍芯片的各类热阻参数的意义。
芯片的温度通常会根据不同位置点命名为芯片结温、壳温、底部温度、顶端温度等多个温度概念。理解这些温度名称的意义对掌握芯片封装热阻的物理意义非常关键。
芯片的结温通常用 \(T_{\mathrm{j}}\) 表示，为芯片 Die 表面的温度（结温），下角 j 是 junction 的简写； \(T_{\mathrm{c}}\) 为芯片封装表面的温度，下角 c 为英文 case 的简写。芯片的基本热阻特性参数有结到空气热阻 \(\Theta_{\mathrm{JA}}\) 、壳到空气热阻 \(\Theta_{\mathrm{CA}}\) 、结壳热阻 \(\Theta_{\mathrm{JC}}\) 、结板热阻 \(\Theta_{\mathrm{JB}}\) 等四个，如图 5-4 所示。
1. \(\Theta_{\mathrm{JA}}\) —— 结到环境热阻¶
\(\Theta_{JA}\) 是芯片 Die 表面到周围环境的热阻，单位是 \(^{\circ}C/W\) 。周围环境通常认为是热量的最终目的地。 \(\Theta_{JA}\) 取决于 IC 封装、电路板、空气流通、辐射和系统特性，强迫对流设计时，辐射的影响可以忽略。通常情况下，芯片规格书中的 \(\Theta_{JA}\) 会有对应的环境通风条件设置和加装的散热器设置。不同的测试设置会导致 \(\Theta_{JA}\) 的测试结果值差异巨大。根据热阻的定义可知，这一值的具体测试换算公式是
式中， \(T_{i}\) 为测得的芯片结温； \(T_{a}\) 为芯片所处环境的空气温度；P 为芯片功耗。
举例：环境温度为 \(25^{\circ}C\) 时，测得芯片的结温为 \(65^{\circ}C\) ，芯片的功耗为 5W，则此时测试结果 \(\Theta_{\mathrm{JA}} = (65 - 25)/5 = 8^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{W}\) 。
由于 \(\Theta_{JA}\) 与测量设置条件有关，因此这一数值对于具体的热设计方案有非常有限的参考价值。它仅可以用于定性地比较封装散热的容易与否 \(^{[3]}\) 。
2. \(\Theta_{CA}\) —— 壳到环境热阻¶
\(\Theta_{CA}\) 是芯片封装表面到周围环境的热阻，单位是 \(^{\circ}C/W\) 。显然， \(\Theta_{CA}\) 与 \(\Theta_{JA}\) 有相似的物理意义，只是芯片侧的温度变成了芯片封装表面的温度。根据热阻的定义可知，这一值的具体测试换算公式是
式中， \(T_{c}\) 为测得的芯片封装外壳温度； \(T_{a}\) 为芯片所处环境的空气温度；P 为芯片功耗。
举例：环境温度为 \(25^{\circ}C\) 时，测得芯片的外壳温度为 \(50^{\circ}C\) ，芯片的功耗为 5W，则此时测试结果 \(\Theta_{\mathrm{CA}} = (50 - 25)/5 = 5^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{W}\) 。
与 \(\Theta_{JA}\) 类似，由于这一数值与测量的具体设置条件有关，因此这一数值的参考价值也非常有限。
3. \(\Theta_{JC}\) —— 结壳热阻¶
\(\Theta_{JC}\) 是芯片 Die 表面到封装外壳的热阻，外壳可以看作是封装外表面的一个特定点。 \(\Theta_{JC}\) 是芯片热特性的关键参数之一，是对芯片进行散热强化设计的重要参考指标。这一值的具体测试换算公式是
\(\Theta_{JC}\) 取决于封装材料（引线框架、模塑材料、管芯粘接材料）和特定的封装设计（管芯厚度、裸焊盘、内部散热过孔、所用金属材料的热传导率）。对带有引脚的封装来说， \(\Theta_{JC}\) 在外壳上的参考点位于塑料外壳延伸出来的引脚 1，在标准的塑料封装中， \(\Theta_{JC}\) 的测量位置在引脚 1 处。该值主要用于评估散热片的性能，在测试结壳热阻时，测试装置会迫使芯片热量全部从芯片顶部散失（即芯片底部绝热）。
注意， \(\Theta_{JC}\) 表示的仅仅是散热通路到封装表面的热阻，因此 \(\Theta_{JC}\) 总是小于 \(\Theta_{JA}\) 。 \(\Theta_{JC}\) 表示特定的、通过传导方式进行热传递的散热通路的热阻，而 \(\Theta_{JA}\) 表示通过传导、对流、辐射等方式进行热传递的散热通路的热阻。通常，有这样的公式关系：
4. \(\Theta_{JB}\) —— 结板热阻¶
\(\Theta_{JB}\) 是指从芯片结到电路板的热阻，是芯片散热强化设计的另一关键参数。 \(\Theta_{JB}\) 对芯片 Die 到电路板的热通路进行了量化，表达了芯片内部热量到单板一侧的传热阻力。 \(\Theta_{JB}\) 包括来自两个方面的热阻：从芯片 Die 表面到封装底部参考点的热阻，以及贯穿封装底部的电路板的热阻。在测试结板热阻时，测试装置会迫使芯片热量全部从芯片底部散失（即芯片顶部绝热）。相对结壳热阻，结板热阻的概念提出较晚，且部分传热路径严重不对称的芯片（大部分 TO 封装的元器件）目前尚无该热阻的定义标准。
5. 双热阻模型¶
在常用的热仿真软件中频繁提到的双热阻模型就是使用的 \(\Theta_{JB}\) 和 \(\Theta_{JC}\) 两个热阻来描述的芯片的热量传递特性 \(^{[4]}\) ，如图 5-5 所示。
从芯片层面的封装特征来总结，热量的传递主要有三条路径，如图 5-6 所示：第一，热量从 Die 通过封装材料（Mold Compound）传导到器件表面然后通过对流换热 / 辐射换热散到周围环境中；第二，热量从 Die 到焊盘，然后由连接到焊盘的印制电路板进行对流 / 辐射散；第三，Die 热量通过引线和引脚传递到 PCB 上散热。
6. 实际情况下的热特性参数 \(\Psi\)¶
除了这些对测试条件有严格规定的热阻特性参数 \(\Theta\) ，芯片还有一个不受严格测试情景约束的热阻 \(\Psi\) 。 \(\Psi\) 和 \(\Theta\) 热物理学意义类似，都是热阻，且计算公式也相同，如结壳热特性参数（或称为结到顶部的热特性参数）的定义为
式中， \(T_{t}\) 为顶部温度，与 \(T_{c}\) 意义相同，但热特性参数习惯使用 \(T_{t}\) （即 \(T_{-}\) top）来指代壳温。虽然计算公式相同，但如果查看芯片的规格书，则会发现热特性参数和热阻值并不相等。这是因为 \(\Psi\) 是指芯片在实际的运用中的热阻，而 \(\Theta\) 则由于单侧施加了绝热措施，是指热量传递全部沿顶部，或全部沿底部传递时的热阻。以结壳热阻和结壳热特性参数为例，材料本身的导热系数是固定的，在 \(\Psi_{JT}\) 的测试场景中，因为没有施加强制措施，所以热量并不会全部沿顶部传输，根据傅里叶导热定律可知，相同传热面积、相同物质导热系数的情况下，热流量低意味着更低的温差，因此 \(\Psi_{JT}\) 中测量所得的结壳温差会小于 \(\Theta_{JC}\) 中测得的温差，而分母中的 P 仍然取总功耗，故而 \(\Psi_{JT} < \Theta_{JC}\) 。对于其他种类的热特性参数和热阻，其大小关系的原理也与此类似，如图 5-7 所示。
在实际的电子系统散热时，热会由封装的上下甚至周围传出，而不一定会由单一方向传递，因此 \(\Psi\) 的定义更加符合实际系统的测量状况。与芯片封装热阻类似， \(\Psi\) 同样有多个值，如芯片结到芯片顶部的热阻 \(\Psi_{JT}\) ，芯片结到底部的热阻 \(\Psi_{JB}\) 等。 \(\Psi\) 的测试值并不固定，它与芯片所使用的散热强化手段有关，当测试用的散热器更大时，热量会更多地沿顶部散出，往往会测得更高的值，因此，除非能够确定热特性参数测试条件设定，否则前期设计时一般不建议采用这一数值来理解芯片的封装热特性。
关于热阻 \(\Theta\) 的测试方法，从事芯片封装热设计的工程师可以参考 JEDEC 标准 \(^{[5]}\) 。
5.3 芯片封装热阻的影响因素¶
5.3.1 封装尺寸¶
从之前的公式可以看出，封装热阻并没有引入面积的概念，而热量的交换效率却与面积紧密相关。根据傅里叶导热定律不难理解，芯片的封装热 \(\Theta_{JA}\) 、 \(\Theta_{CA}\) 、 \(\Theta_{JC}\) 和 \(\Theta_{JB}\) 均与封装表面积和封装引脚的密度与数量成反比。面积越大，引脚越多，意味着热量向外传递的路径和总截面积越大，从而热阻相应降低。如在相同封装材料下，小外形 IC 封装（Small Outline IC，SOIC）热阻高于四方引脚扁平式封装（Quad Flat Package，QFP），如图 5-8 所示。
5.3.2 封装材料¶
封装材料对封装热阻的影响容易理解。芯片内部的热量传递方式是导热，因此，封装材料的导热系数越高，封装热阻越低。
芯片由多种物质组成，因此使用了许多材料。根据包覆材料和基板材料，封装通常分为金属封装、玻璃封装、陶瓷封装和塑料封装四类，其宏观优缺点分别如下：
近年来，由于芯片功率越来越高，芯片封装热阻成为电子元器件散热的关键控制因素之一。例如，当使用液体冷却时，由于介质移热效率很高，芯片顶部到冷板之间的热阻往往很低。这时，如果要将芯片结温控制在较低的范围，则控制芯片结壳热阻是非常关键的。Intel 推出的代号为 Cascade Lake 的第二代可扩展 Xeon 至强服务器处理器，热设计功耗达到了 400W。在这种情况下，即使结壳热阻仅有 0.1℃/W，在极限情况下，其结壳温差也将高达 40℃。
5.3.3 热源尺寸¶
一个芯片的发热源尺寸往往比外观尺寸小很多，这就会产生扩散热阻。从图 5-9 也可看出，CPU 上实际 Die 的尺寸远小于外面看到的金属盖的大小。芯片的封装热阻中会包含扩散热阻这一项。发热源尺寸与封装尺寸之间差异越大，扩散热阻产生的效果越明显，芯片整体的封装热阻也就越高。
5.3.4 单板尺寸和导热系数¶
从热量转移的角度讲，单板实际上相当于安装在芯片背面的散热器。当单板尺寸变大，导热系数升高或芯片底部增加热过孔（见图 5-10）时，其对芯片的冷却效果会加强，此时，芯片结到空气的热阻也会降低。但当板的面积比芯片自身面积大很多时，单板尺寸加大则不会对热阻的降低起到明显作用，因为单板离芯片越远的区域，其对芯片的冷却效率越低。另外，需要注意的是，虽然单板的尺寸和导热系数会改变结到空气热阻，但结板热阻是内部导热热阻，是不会随着单板的属性变化而变化的。
5.3.5 芯片发热量以及外围气流速度¶
芯片发热量高时，通常情况下芯片温度会升高，此时，如果外部环境温度保持恒定，则芯片外表面的自然对流换热强度和辐射换热强度都会提高，从而使得结到空气的热阻降低。如果芯片不是自然散热，而是使用风扇等部件提高外围的气流速度，则会使芯片温度显著降低，从而大大降低 \(\Theta_{JA}\) 。可见，芯片发热量和外围气流的速度对热阻的影响原因，都是由于其加强了芯片外部的换热强度。结壳热阻和结板热阻都是芯片内部的导热热阻，这两个值并不会随着外部环境的变化而变化。
5.4 实验测量时结温的反推计算公式¶
实验测量时，由于芯片结埋藏在芯片中心，因此很难用传统的热电偶测量其温度。而芯片的壳温却很容易测得。利用上述一系列热阻公式，就可以方便地根据测得的温度和功耗数据，反推出芯片的结温。
式中， \(T_{j}\) 为结温， \(T_{a}\) 为周围环境温度；P 为功耗，单位为 W。
式中， \(T_{j}\) 为结温， \(T_{c}\) 为芯片封装表面温度；P 为功耗，单位为 W。通常，使用这一公式推算的结温要比实际值大，因为实际过程中，芯片发出的功耗不可能全部经由芯片顶壳传出。
式中， \(T_{j}\) 为结温， \(T_{b}\) 为芯片封装表面温度，P 为功耗，单位为 W。通常，使用这一公式推算的结温要比实际值大，因为实际过程中，芯片发出的功耗不可能全部向封装底部经由单板传出。
\(T_{j}\) 也可用 \(\Psi_{JB}\) 或 \(\Psi_{JT}\) 的值来估算 \(^{[8]}\) 。
式中， \(T_{b}\) 为距离封装小于 1mm 处的电路板温度。
式中， \(T_{t}\) 为在封装顶部的中心处测得的温度。
注意，上述公式中用到的所有热阻参数通常会在元器件规格书中体现，可以检索 thermal resistance 关键词进行快速查找。
使用式（5-18）和式（5-19）推算出的结温一般会更接近实际值。但即便如此，仍推荐使用（5-16）或（5-17）式来推算芯片温度。虽然其推算出的结果比实际结温大，但这符合可靠性设计原则，在无法确定前后散热量配比的情况下，这是更为稳妥的推算方式。芯片热特性参数推算的结温虽然更接近实际，但由于热特性参数的测试值会跟随测试所用散热强化手段相关，因此通常无法保证实际使用的散热方案中芯片热量前后配比与规格书中所述热特性参数测试条件下的一致，因此不能确定推测出的值到底比实际值大还是比实际值小。这不符合研发阶段的热设计原则。
5.5 常见的芯片封装及其热特性¶
电子产品中，封装或者连接分为 6 个等级，分别为：
0 级连接：晶圆内部门电路之间的连接；
1\~3 级连接如图 5-11 所示。
芯片封装热特性一般只涉及 1 级连接和 2 级连接（见图 5-12），但对于一些超高功率密度，需要在芯片内部实施微纳尺度冷却通道的芯片还需要考虑 0 级连接。
在分别分析各类常见封装形式的热特性之前，先对典型芯片的内部组成物质（可以参考图 5-13）进行定性的热分析。
1）芯片结（或晶圆，Die）：硅或砷化镓材料，芯片内部主要发热源，导热系数约为 \(100W/m\cdot K\) 。
注意，上述各个组成部分的材料参数参考的是典型元器件中可能出现的物质。部分特殊的封装，材料类型及性质可能会有变化。
建立了芯片各组成部分的导热系数量级概念之后，再来审视不同封装形式元器件的热特性就变得简单了。下面介绍当前常见的元器件封装形式及其热特性。
5.5.1 球栅阵列式封装¶
球栅阵列式（Ball Grid Array，BGA）封装是当前高集成度芯片最常用的封装，几乎所有高端 IC 均在使用这一封装。BGA 封装的最显著特征是其 2 级连接是以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装晶圆下面，并且以二维分布的形式阵列开来。
根据晶圆外围封装材料和基板材质的不同，BGA 封装又分为如下三种：
塑料球形封装（Plastic Ball Grid Array Package，见图 5-12）：晶圆外围包覆材料为塑料，基板为常见 FR4 基板，由于塑料导热系数低，故其热阻相对较高。
陶瓷球形封装（Ceramic Ball Grid Array Package）：使用陶瓷基板，结板热阻相对较低。
裸 Die 封装（见图 5-13）：晶圆外围不再包覆材料，而是直接裸露在外，结壳热阻极低。
BGA 封装与单板之间的连接点是二维的形式，连接面更广，从热的角度上讲，相当于传热面积更大，因此结板热阻相对较低。另外，结到单板上的热阻可以通过在基板上施加热过孔，或在基板底侧正对芯片结处施加铜片来进行降低。裸 Die 封装的 BGA 芯片结直接暴露在外，最大程度降低了结壳热阻。
5.5.2 晶体管外形封装¶
晶体管外形（Transistor Outline，TO）封装是较早期的封装形式，多用在电源开关芯片，如图 5-14 所示。从热特性角度上分析，TO 封装的元器件有如下特征：
5.5.3 四边扁平封装¶
四边扁平封装（Quad Flat Pack，QFP）的元器件，其二级连接是一维分布，即只分布在芯片四边。四周引脚通过键合线与内部晶圆进行一一对应连接，引脚
另一侧连接到单板上，如图 5-15 所示。
从热特性角度分析，QFP 的元器件有如下特征：
5.5.4 四边 / 双边无引脚扁平封装¶
四边 / 双边无引脚扁平（Quad/Dual Flat No-Lead，QFN/DFN）封装是由 QFP 演变而来的。其最大区别是将四边引脚收至芯片内部，使得芯片封装体积大大缩减，如图 5-17 所示。
QFN 封装的基本热特性如下:
5.5.5 封装演变趋势和热设计面临的机遇与挑战¶
体积是目前所有电子设备面临的共同挑战。所有的产品经理都希望在尽可能小的设备上实现尽可能强大的功能，这一需求促使着所有相关行业飞速进步。元器件的封装也是如此。在尽可能小的空间内挤入更多晶体管，并使用封装技术保证芯片的可靠性正变得越来越难。图 5-19 描述了 1980～2010 年件芯片封装形式的演进，可以清楚看到单板和芯片之间的连接正从管脚连接演变为晶圆底部焊球连接，并且人们正不断尝试提高晶圆所占比例，20 世纪 90 年代就出现了芯片级封装（Chip Scale Package，封装相对于 Die 尺寸不大于 \(20\%\) ）。从芯片设计层面，人们开发出了 SOC（System on a Chip），而从封装技术角度出发，人们一直在努力实现 SIP（System in a Package）。对空间的持续追求和半导体制程的发展速度限制还促使人们开发出了 3D 封装及芯片堆叠，甚至晶圆级堆叠。
芯片封装集成度的提升为产品散热设计带来了前所未有的挑战。虽然架构的优化设计可以提高芯片的能效比，但晶体管的增多带来的发热量提升仍然会导致元器件平均功耗逐年攀升。晶体管本身的形式也正在进化。正在研究中的鳍式场效晶体管（FinFET，由于静电电流问题，业内当前认为 5nm 是 FinFET 的合理上限）的升级版闸极全环场效晶体管（Gate-All-Around FET，GAAFET）将进一步大幅度提升晶体管的密度，从生热机理角度分析，5nm 后更先进工艺的芯片热流密度会再次上涨。封装精度要求不断提升，晶体管尺寸不断减小，芯片对温度变化带来的力、电效应也越来越敏感。随着半导体制程濒临物理极限，热问题可能成为半导体行业的瓶颈，热科学可能成为半导体行业进步的核心技术。
5.6）印制电路板热特性及其在热设计中的关键作用¶
印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）又称为印刷线路板，是重要的电子部件。PCB 是电子元器件的支撑体和电子元器件电气连接的载体 \(^{[11]}\) 。由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为 “印刷” 电路板。
随着电子产品技术的发展，元器件的表贴化、小型化趋势越来越明显，产品的紧凑程度也不断增加。反映到电路板上，就是元器件密集度的不断增加。而从散热角度上考虑，则是热流密度的不断提升，从而导致产品散热问题日渐严峻。为了控制元器件温度，增强元器件与外部的热交换效率是关键举措。通过分析元器件的热阻路径可知，芯片有一部分热量可以通过引脚传递到单板上。在 LED 灯珠封装中，这一点尤为明显，几乎所有的灯珠热量都需要透过 PCB 进行散失 [12]，如图 5-20 所示。
当元器件主要通过 PCB 进行热量散失时，PCB 自身的热特性对其温度影响就会变得非常明显。
5.6.1 PCB 热传导特点¶
目前，在电子行业遇到的单板绝大多数是多层板，如图 5-21 所示。多层复合结构的 PCB 主要由基板树脂材料和铜箔组成，信号层、电源层及地层之间等必须通过绝缘的树脂材料进行隔开。而实际上信号层，也就是铜箔层往往非常薄，树脂层才会占据大量空间。同时，因为树脂材料（FR4）的导热率 [约 \(0.3\mathrm{W / (m\cdot^{\circ}C)}]\)
远低于铜箔 [约 \(398 \, \text{W/(m} \cdot \text{°C)}\)]，因此 PCB 在厚度方向上的综合导热系数很低。通常，PCB 在平面方向上的导热能力比法向上的导热能力强数十倍，多数 PCB 厚度方向的导热系数甚至低于 \(0.5 \, W/m \cdot K\) ，而平面方向却可以达到约 \(30 \, W/m \cdot K\) 。
一个 PCB 板的宏观等效导热系数可以简单地通过傅里叶导热定律推算出来。
式中， \(\varphi_{FR4}\) 为 FR4 的体积含量； \(\varphi_{Cu}\) 为铜的体积含量； \(k_{FR4}\) 和 \(k_{Cu}\) 分别为 FR4 和铜的导热系数。需要指出的是，式（5-20）和式（5-21）是在铜层均匀分布前提下推导出的，对于实际的单板，由于铜含量并非各处均匀，因此其导热系数不仅法向和平面方向导热系数不同，单板不同位置的导热系数也不相同。这样，就有了通过设计局部敷铜来改变单板的热传导能力，从而控制元器件温度这一热设计方法。
5.6.2 PCB 铜层敷设准则 —— 热设计角度¶
PCB 敷铜可以提高抗干扰能力，降低压降，提高电源效率。一定程度上，这些都是用来实现电气性能的。当热流密度足够小时，PCB 敷铜完全不考虑散热是可行的。但当单板功率密度增大，元器件散热风险升高后，单板内的铜层设计就可以起到关键作用。了解敷铜对散热的影响也是 PCB 画板工程师的必修课。
铜层的敷设面积需要结合局部散热需求，可归纳为如下几个原则。
1. 敷铜实现热量定向引流¶
通常情况下，由于发热源集中，故单板的温度是不均匀的。通过设计铜层的走向，加大敷铜面积，将热量引导向散热条件较好、温度较低的区域会有助于热量散失。
2. 阻断铜层来降低热敏器件风险¶
在单板中，器件种类众多。它们通常发热量不同，对温度的敏感性也不相同。例如，多数电容的发热量很小，但其耐温性普遍较差。而 CPU、MOSFET 等发热量较大，耐温性也较强。当出于电气或空间要求，两种器件不得不距离很近时，电容就会被 CPU、MOS 管等影响。当施加的散热器可以保证 CPU 和 MOS 管在 \(95^{\circ}\) C 时，它们都是安全的，但对于一些电容，这个温度已经不可接受。这时，通过阻断、缩减连接两者间的铜层，可以从一定程度上缓解这些高温器件对低发热量且不耐温器件的烘烤作用。
3. 根据器件的封装特点定制铜层¶
通过前述对芯片封装热特性的描述可知，不同封装形式的芯片内部热量往顶部和往底部传递热量的阻力是不同的。单板敷铜对那些热量主要从底部散失的芯片（即 \(\Theta_{\mathrm{JB}}\) 较小）效果会更加明显。
4. 铜层局部连续打通热流通道¶
由于 FR4 的导热系数极低，故铜层如果被隔断会极大降低单板热量的传递效率。可以看到，在厚度方向上，由于单板铜层被 FR4 隔断，单板厚度方向导热系数远低于平面方向。为了提高单板传热性能，在部分需要特殊强化散热的芯片底部，通过施加热过孔可以将导热效率高的铜层连接起来，从而提高芯片热量传递到单板上的效率。
5.6.3 热过孔及其设计注意点¶
当热量从芯片结发出，经过衬底传导到芯片底部后，就需要进入 PCB。这时，如果不施加过孔，则热量在进入 PCB 后，就必须经由导热性能极低的 FR4 才能散发到单板的背面来。这显然非常不利于热量的散失。
当过孔位于芯片下方时，其直接洞穿 PCB，过孔孔壁材料一般为铜，孔内如果填锡，则整个过孔都是由金属组成，纵向的导热系数相对无过孔时大大提高。同时，过孔贯穿 PCB 板，相当于将平面方向导热率较高的信号层、电源层、地层的铜箔层连接起来了，芯片自身的热量可以更顺畅地在单板平面方向铺展开来。因此，过孔可以大大降低底部散热器件的温度。施加热过孔后，芯片在单板测的
主要传热路径如图 5-22 所示。
注意，虽然绝缘层导热系数很低，但仍然会有一小部分热量通过绝缘层往四周扩展，图 5-22 中未画出。
1. 配合芯片封装¶
需要注意的是，热过孔改善的是 PCB 到单板侧的传热。而芯片的热量要传递到单板上，还需要经过芯片内部的封装材料。当封装工艺使得结到板的热阻 \(\Theta_{\mathrm{JB}}\) 很低时，如图 5-23a 所示的 QFN 封装，IC 芯片底部的焊盘直接可大面积接到地层，这时在其下方的单板上施加热过孔对芯片温度控制将有非常明显的效果；而当芯片结板热阻 \(\Theta_{\mathrm{JB}}\) 较大时，如图 5-23b 所示的 QFP，芯片底部与 PCB 之间甚至存在空隙，芯片热量难以导向 PCB，从而导致施加热过孔改善幅度较为有限。
2. 连接方式、几何参数和填充材料¶
热过孔有两种连接方式，一种是铜线连接方式，一种是敷铜连接方式。这两种不同连接方式对器件结点温度的影响也不相同。敷铜连接方式热通路面积大，对于散热效果的强化优于铜线连接。有时，为进一步加强散热，在空间允许的情况下，还会对芯片位置处单板正反两面的散热焊盘敷铜区域进行周向扩展，加大换热面积。
热过孔的几何参数包含过孔内经、孔间距和孔壁厚度等。合理设计热过孔的几何参数能有效改善 PCB 的散热能力，同时不过度增加制板成本。如图 5-24 所示，用 d 表示热过孔内径，p 表示过孔间距，t 表示过孔壁厚度。研究表明 \(^{[14]}\) ，对于常见的芯片，热过孔的合理设计区域为 \(d/p > 25\%\) , \(t/p > 2\%\) ，器件的结温在此区域内再增加过孔内的密度和孔壁厚度对单板的传热效果仍有强化效果，但强化曲线变得平缓。
热过孔的孔壁材质是铜，孔内根据需要可以选择是否填充其他材质。图 5-25 所示为未填充的过孔，中间将会是空气。显然，在过孔中填充高导热系数的物质会进一步提升过孔对单板厚度方向上导热的强化作用。但这些填充会带来成本增加以及单板生产过程中的溢锡（当填充物是金属锡时）问题。有计算表明，热过孔填充与否对芯片的温度影响甚微 [14,15]。因此，在散热风险已经可控的情况下，可以考虑放弃填充。
热过孔是除风道设计、散热器设计之外另一种非常重要的散热强化手段。尤其是对于那些贴片封装、结板热阻较低的芯片。对某些尺寸很小、加装散热器困难的小芯片而言，热过孔甚至可能是最有效的散热强化手段。在实际的应用中，热
过孔的设计还需要充分考虑芯片的功率密度、芯片周边的热源布局、芯片的具体封装特点、单板内铜层的敷设特点以及芯片正面的散热强化手段等因素。热设计工程师应当对其建立深刻认知，在产品中视具体需求充分体现。
5.7 本章小结¶
元器件是发热源，其内部构造和发展趋势对热设计方案及其研究方向有重要影响。封装材料和工艺的进步正是 1.2 节所述温度问题的内部解决方案。过去，外部空间足够，热流密度相对较低，仅利用这些资源就可以保障器件的热安全性，但这种情况已经不复存在了。热设计者必须洞察所有对温度有影响的环节和因素，才有可能将整个设计做到极致，这其中显然包括元器件的封装工艺和材料选择。元器件的封装是一个宏大而复杂的课题，它横跨电气、材料、化学、热学、力学、光学等多个学科，作者水平有限，仅从表面上叙述了对散热最为关键的封装概念。可以断言，芯片层面的热控制技术将是未来高端芯片的核心技术之一。
参考文献¶
第 0 章¶
散热器的设计¶
在传热学理论中可以看到，增大面积是强化传热的有效手段。散热器的本质就是一个可以在相同空间内扩大传热面积的部件，当然，扩大到什么程度，如何扩大，需要综合许多工程因素。本章将讲述为什么这些因素有影响，以及如何考虑这些因素。
6.1 散热器设计需考虑的方面¶
散热器的设计主要考虑以下几个方面：
6.1.1 发热源热流密度¶
热量从发热元器件到散热器之间的传递方式是热传导。通常情况下，散热器的基板面积会大于发热元器件的发热面积。当元器件热流密度较大时，扩散热阻（Spreading Resistance）对热量传递的影响就会显现。
扩散热阻一个简化直观的定义是：当热源与基板的面积相差比较大时，热量从热源中心向边缘扩散所形成的热阻叫扩散热阻。
下面将通过一个实际的仿真来描述散热器设计时需要如何考虑扩散热阻，模型如图 6-1 所示。
主要情景设置：
8）仿真工具：Flotherm 12.0。
维持主要场景所有设置，芯片尺寸分别设置为 \(30\mathrm{mm} \times 30\mathrm{mm}\) 和 \(10\mathrm{mm} \times 10\mathrm{mm}\) 。仿真结果如图 6-2 所示。
两种芯片尺寸下，表面热流密度分别为
芯片尺寸缩减后，热流密度增大了 9 倍。散热器在没有做任何变更的前提下，就造成了芯片约 \(20^{\circ}\mathrm{C}\) 的上升，如图 6-3 所示。
可以看到，由于扩散热阻的存在，芯片热流密度增大时，散热器边缘的温度会明显低于贴合芯片处的温度，散热器边缘处的利用率下降。结论：同样一个散热器应用于相同的场景，当发热源的热流密度增加时，其有效热阻将增加。
对于热流密度比较大的芯片，常见的减小扩散热阻的方法有以下几个：
1）加厚散热器的基板，降低热量在平面方向上的传输热阻；