熱設(shè)計(jì)工程師和芯片封裝工程師都知道，芯片尺寸雖然已經(jīng)較小，但實(shí)際上芯片內(nèi)部的發(fā)熱點(diǎn)尺寸更小。我們外觀能看到的，都是芯片的封裝外殼。而封裝外殼將導(dǎo)致封裝熱阻。無論我們使用什么方式，封裝熱阻都不可能被消除?？梢耘e這樣一個例子。
假設(shè)某芯片結(jié)殼熱阻Rjc = 1C/W，結(jié)板熱阻Rjb = 10C/W，即熱量可以更容易地向上殼方向轉(zhuǎn)移。芯片通常用在室溫環(huán)境25C下。
如果芯片的發(fā)熱量為100 W，而其結(jié)溫要求為100C，那么，熱設(shè)計(jì)成本將會非常高昂。因?yàn)橛捎诜庋b熱阻的存在，芯片的固有溫升將達(dá)到100C，室溫下，必須使用制冷設(shè)備將芯片表面的溫度控制到0C以下，才有可能保證芯片的正常工作。
那么，大家想一想，對于這類芯片，更有效的散熱優(yōu)化方法是什么呢？
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顯然是降低封裝熱阻。我們先來了解封裝的意義。
芯片的封裝包含但不局限于如下三個方面的意義：
a) 固定引腳系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)芯片與外部的數(shù)據(jù)信息交換
芯片不能單獨(dú)工作，它必須與外部設(shè)備進(jìn)行連接和數(shù)據(jù)交換。封裝最基本的作用就體現(xiàn)在這里。由于芯片內(nèi)部的金屬線極細(xì)（通常小于1.5微米，多數(shù)情況下只有1.0微米），不可能將芯片內(nèi)的引腳直接與電路板連接。通過封裝，可以將外部的引腳用金屬銅與內(nèi)部的引腳焊接起來，芯片便可以通過外部的引腳間接地與電路板連接以起到數(shù)據(jù)交換的作用。外部引腳的材質(zhì)和形式需要根據(jù)芯片的具體功能和使用場景來選用。通常情況下，芯片內(nèi)部的引腳和焊接點(diǎn)會被埋藏在基體中，外觀上看到的引腳，全部是外部引腳。
b) 保護(hù)芯片，避免其受到物理、化學(xué)等損傷
芯片的封裝材料可以保護(hù)芯片免受微粒、濕氣和機(jī)械力等外界因素對它的損害。實(shí)現(xiàn)物理性保護(hù)的主要方法是將芯片固定于一個特定的芯片安裝區(qū)域，并用適當(dāng)?shù)姆庋b外殼將芯片、芯片連線以及相關(guān)引腳封閉起來，從而達(dá)到保護(hù)的目的。應(yīng)用領(lǐng)域的不同，對于芯片封裝的等級要求也不盡相同。
c) 增強(qiáng)散熱
根據(jù)熱力學(xué)第二定律，所有半導(dǎo)體產(chǎn)品在工作時都會產(chǎn)生熱量，而熱量會導(dǎo)致芯片溫度升高。當(dāng)溫度達(dá)到一定限度時，芯片的性能就會收到影響。因此，封裝在滿足電氣、保護(hù)功能之外，還需要考慮散熱特性。當(dāng)前，無論是自然散熱、強(qiáng)迫對流散熱還是液冷散熱，芯片的熱量都是從結(jié)點(diǎn)發(fā)出，經(jīng)由封裝材料散逸到低溫介質(zhì)中。封裝材料的導(dǎo)熱和均熱特性對芯片的散熱性能有關(guān)鍵影響。隨著芯片功率密度的加速提升，芯片封裝在散熱特性方面的研究越來越多。
封裝熱阻的優(yōu)化，需要充分考慮產(chǎn)品的電氣和物理防護(hù)性能。后面將結(jié)合一些產(chǎn)品的封裝形式，來闡釋近年來芯片封裝演進(jìn)在散熱設(shè)計(jì)上的考量。
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