【阅读摘要】第6章 电子元器件与组件的热设计
电子元器件热设计的目的是防止元器件因过热或温度交变诱发热失效。电子元器件热设计包括两个方面：一方面是元器件本身的热设计，包括管芯、封装键合和管壳的热设计等；另一方面则是电子元器件的安装冷却技术，其中特别值得注意的是电子元件在印制电路板上的安装问题。这个问题涉及众多类型电子元件的各种不同形状与电气引线的布置。
可靠性研究表明，对于长期通电使用的电子设备，如元件的壳体温度超过100℃，则会导致故障率大大增加。
6.1.1管芯的热设计
有源区上方覆盖铜片，提高芯片和封装材料的质量和纯度，改善工艺的均匀性，采用良好的烧结工艺、焊接材料及底座材料，以降低芯片与底座间的接触热阻。
值得重视的发展趋势是讲微槽散热器用于电子芯片的冷却，即采用光刻、定向蚀刻和微型工具精确切削等手段，在芯片底座或期间衬底上加工出微型槽道和/或翅片，通过槽道内冷却液体单相流动或相变过程，吸收芯片或器件的耗散热。
6.1.2 封装键合的热设计
封装键合的热设计主要通过合理选择封装、键合和烧结材料，尽量降低材料的热阻以及材料之间的热不匹配性，防止出现过大的热应力。
1. 芯片与底座之间的热匹配
功率管的铜底座上往往加烧一层厚度约0.4mm的钼片或柯伐合金片作为过渡层。其热膨胀系数与硅接近。
当芯片需要与底座电绝缘时，加入一层导热的电绝缘材料，如氧化铍陶瓷或氧化铝陶瓷。
在功率晶体管芯片背面采用多层金属化，即可实现良好的欧姆接触，又可有效降低芯片与底座之间热膨胀系数不同造成的影响。
2. 引线与芯片的键合
3. 塑封器件的封装
塑封器件的封装重点是选择与硅芯片热匹配良好的封装树脂，防止因热应力导致密封性失效。
6.1.3 管壳的热设计
管壳的热设计应主要考虑降低热阻，即对于特定耗散功率的器件，应具有足够大的散热能力。
设计小功率晶体管时，主要根据晶体管的总热阻来选取管壳。设计大功率晶体管时，可根据器件耗散功率与使用频率来选取管壳。
6.1.4 元器件在印制电路板上的安装
在电子设备中，电子元件通常是主要的热源。
6.1.7 元器件引线应变的释放
在电子设备热设计中研究的应力和应变是由于温度变化引起构件热胀冷缩造成的。由于元器件引线与印制电路板及焊点材料的热膨胀系数不一致，因此在高温或温度循环变化条件下，就有可能在焊点、元器件及印制电路板等相关部位产生机械应力，导致焊点拉裂、焊盘脱开、印制线翘曲、元器件破裂、短路以及其他与应变有关的问题。
6.2多芯片组件的热设计
6.2.1多芯片组件热设计的概念及原则
多芯片组件MCM（Multi-Chip Module）采用高密度多层布线结构、细线工艺与微电子焊封技术，并外贴裸芯片和小型片式元器件。高集成度、立体化与微小型化是MCM的显著特点，也是今后的发展方向。
降低或保持结点温度是对MCM热设计的具体要求。MCM结点温度的设计范围通常为80~180℃。根据相关工业标准，大多数芯片的结点温度上限规定为125℃。
与单芯片组件SCM(Single Chip Module)相比，一个多芯片组件含有多个耗散功率不同的热源和多个必须控制温度的元器件（一个SCM仅有一个），以及多种界面不对称的材料（一个SCM通常只含有两种材料：一种是金属，另一种是塑料或陶瓷）。因此，MCM的热设计比SCM要复杂得多。
MCM的热失效的诱因来自以下两个方面：
1. 由于MCM的组装密度很大，各种功率器件的耗散热导致各种功率器件的耗散热导致基片单位面积上的发热量很大。如果结构设计或材料选择不合理，MCM工作时热量不能很快地散发出去，会导致MCM内外的温度梯度过大，在MCM内部形成过热区或者过热点，使元件性能恶化，或由于热应力过大而使电路结构破坏。
2. 随着MCM内部温度升高元件及相关结构材料会发生膨胀现象。由于各种材料的热膨胀系数不同，因而会产生热应力。如果热应力超过材料的弹性限度，就会导致材料损坏破裂。如果设计时没有考虑这些问题，那么MCM经过多次温度循环和通断循环后，将引起失效。国外研究资料表明，温度波动超过额定平均温度的±15℃，会明显降低元器件的可靠性；温度波动超过20℃，失效率将增大8倍，并且几乎与额定温度的水平无关。
MCM的最佳热设计方案，应是在综合考虑可靠性、维修性、环境相容性、经济性等设计原则的基础上，经过一系列技术方案论证后得到的折衷结果。
多芯片组件的热流路径指的是MCM内部热源产生的热量向外部环境和终端散热器传输所必须通过的路径。多芯片组件中最主要的热热源是芯片，其次是电阻器。当功耗超过4W/cm2或对MCM有特殊要求时，需要设计高效冷却系统以对MCM进行有效的热控制。
适应MCM向更高集成度发展的需要，未来强化散热、降低内热阻的发展趋势是直接在MCM芯片和基板上采取冷却措施，如利用蚀刻和微细加工技术，在芯片衬底或基板上直接加工出微槽散热器。有资料认为，这种微细尺寸散热器采用单相或多相液体工质，其排散热流密度可以达到100W/cm2以上，是一种很有发展和应用前景的热控技术。
外热阻控制
MCM外热阻的控制包括以下几种形式:
1. 对流换热
2. 制冷，液体汽化制冷、气体膨胀制冷（飞机上）、涡流管制冷及热电制冷（航空航天）等技术
3. 传导或辐射，采用冷板或辐射板等
4. 相变冷却，利用液体蒸发与沸腾吸热、固体熔化及固体升华等
5. 热管传热，利用热管的传热特性，可解决大温差环境条件下温度的均衡、密闭电子设备机箱内耗散热的传递等问题，减小温差对MCM的危害。在热管技术的基础上发展了毛细抽吸两相流体贿赂（CPL）/回路热管（LPH）技术，以及微小型热管技术。
6. 射流冲击，利用压缩机和射流喷嘴，将获得的高压空气膨胀直接吹到MCM的散热器或其他需要冷却的合适部位，而不采用外部冷却。利用微喷嘴把液体工质雾化后喷向冷却对象，工质受热后汽化（蒸发相变）带走MCM的热量，则是一种更高效的热控制手段。
7. 浸没冷却，浸没沸腾冷却是解决未来超高热流密度计算机用MCM热控制的有效途径。
概括地说，功率密度、系统封装和结点温度限制是选择MCM热控制方法的基础。此外，这一选择还受制于制造能力、成本和产品的应用方向。热控制方法的选用不可能之制定通用的设计规则，其次则是热阻最小化时MCM热设计的最重要目标。热设计工程师必须花费大量时间和精力减小MCM的内、外热阻。此外，设计芯片时采用合理的组装技术和材料，是降低MCM内热阻的有力举措。
6.2.3多芯片组件热控系统的应用
系统性能和芯片结点温度限制是热控制系统的共同设计依据。
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