芯片封装热阻的影响因素

1 封装尺寸

从定义公式或单位可以看出，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ΘJA、ΘCA、ΘJC和ΘJB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，意味着热量往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（SOIC）热阻高于四方引脚扁平式封装(QFP)。

SOIC—Small Outline IC 小外形IC封装

  QFP—Quad Flat Package 四方引脚扁平式封装

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：

1)金属封装：军品——密封性、热传导、电屏蔽都较好，用于军工；

2)玻璃封装：可靠性高——成本高，可靠性高，耐温性强，用于军工；

3)陶瓷封装：可靠性高——陶瓷热膨胀系数与Si更加接近，且导热系数高于塑料，导致其耐温性远强于塑封，可用来做基板和封盖。

4)塑料封装：成本低，工艺简单，应用最为广泛——热膨胀系数与Si差距较大，导热系数低，耐温性较差。占据90%的市场。

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环节之一。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，控制芯片结壳热阻是非常关键的。

Intel CPU上的金属盖

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。上图也可看出，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。

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。当单板尺寸变大或者导热系数升高时，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。

QFN封装的芯片底部PCB加装热过孔来增强PCB导热性能，减小元器件结板热阻

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，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，显然会使芯片温度显著降低，从而大大降低ΘJA。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。

作者简介：陈继良，仿真秀专栏作者，文章节选自机械工业出版社发行，陈继良老师编著的《从零开始学散热》，点击可订购。