MCM器件的熱設計方法

1、MCM器件的熱設計方法 MCM器件的熱設計方法華東計算技術研究所 胡志勇在當今的電子產品中，多芯片模塊（Multichip Modules 簡稱 MCM）的應用正愈來愈廣泛。它在縮小電子產品體積，提高產品性能方面起到了重要作用。但對組裝設計師而言，卻提出了嚴酷的熱設計問題。因為在與常規(guī)的單芯片相同的面積上，MCM內封裝了許多集成電路。MCM器件中的熱應力來自于兩方面，即來自MCM模塊內部和MCM模塊所處的外部環(huán)境所形成的熱應力，這些熱應力會影響到器件的電性能、工作頻率、機械強度和可靠性。因此，為了能夠使器件發(fā)揮最佳的性能以及具有高可靠性，從而保證整個產品的高可靠性，對熱設計工作應予以高度重視。

2、熱設計面臨的問題 電子設備在制造、運輸、儲藏和工作中，面臨著熱應力的沖擊，其中有些應力是準靜態(tài)的，有些是瞬態(tài)的，還有一些是循環(huán)的。下面舉例說明： 高溫儲藏和操作 電子產品在許多應用場合具有很高的環(huán)境溫度，常規(guī)所提供的溫度范圍能滿足一般電子設備的需求，但是在軍事上和工業(yè)上的應用有時很惡劣，有時要達到100或者更高的環(huán)境溫度。此外，在使用過程中電壓偏離的現(xiàn)象也加速了失效的進程。 大功率工作 較大的功率密度會導致較高的結溫，它降低了電子產品的性能和可靠性，這甚至能夠在相對較冷的環(huán)境中產生。例如：大功率辦公用電子設備在辦公室環(huán)境中工作，也可能產生較高結溫。大功率狀態(tài)下工作要求結點至機殼具有較低的熱阻。

3、另外，機殼至周圍環(huán)境要具有良好的熱傳遞，解決方式為加散熱片，強迫空氣冷卻以及液體冷卻。 溫度交替 溫度交替發(fā)生在電子設備的移動過程中，例如當電子設備在兩處不同環(huán)境溫度的場合之間移動時；當在發(fā)動機機箱中，局部的熱量發(fā)生時；以及在陽光直射下的電子設備移至陰影處，因環(huán)境溫度發(fā)生變化時。 功率交替 功率交替能夠直接導致溫度交替發(fā)生，但是在一般情況下，在不同的時間和空間中，有著不同的溫度分布。在功率交替中，熱量是由封裝的集成電路塊產生的。通過熱傳導和對流散發(fā)出來。而在溫度交替中，熱量是由周圍環(huán)境所產生的。功率交替發(fā)生在開始工作和停止工作期間，發(fā)生在工作方式改變或者在新型的功率MCM器件中，此外當功率器件

4、被觸發(fā)時也會發(fā)生功率交替。 熱沖擊 在溫度變動和溫度的正常值發(fā)生變化時，如果此刻溫度瞬態(tài)的變化非常劇烈，那么熱沖擊現(xiàn)象就發(fā)生了，但這些常常是孤立的偶然事件。MCM器件的熱設計 MCM器件能夠滿足從專用的通信裝置至巨型計算機的廣泛領域的應用需求。MCM器件可以分為三大類：MCM-L(層壓絕緣)、MCM-C（陶瓷絕緣）和MCM-D（沉積絕緣）。 一般情況下，MCM-L 從密度上來看是較低的，它的熱性能和電性能較差，但是它們的價格非常便宜。MCM-C 的工藝技術在軍事裝備和計算機設備中有著廣泛的應用，它具有適中的價格體系，但是就技術成熟性而言，價格大幅度地降低，以及進一步提高性能的機會將不會太大。M

5、CM-D 在MCM 器件家族中一般是最為昂貴的，它能夠提供最佳的互連密度，從而形成較高的工作速度和較小的尺寸，通過采用新的制造方式將有助于在不久的將來進一步降低MCM-D 的價格。 MCM 器件的熱設計將有助于增強MCM器件的性能和可靠性，絕大多數(shù)的IC器件的最高工作頻率受到最高結溫的限制。許多模擬電路的關鍵性能參數(shù)隨溫度而變化，這些變化能夠通過限定最高溫度而使其減小至最低程度。根據(jù)結溫的變化，IC的可靠性呈現(xiàn)指數(shù)級降低。溫度的變化導致材料產生應力。特別是在界面處，它能導致器件的破壞和失效。 MCM器件必須被維持在最低的結溫上，從而降低由于熱循環(huán)而產生的應力聚集。MCM器件最大的結溫是環(huán)境溫度

6、、熱傳導率和內部功耗的函數(shù)，其表達式為：Tj=Ta+P Rjc+P Rca上式中： Tj表示器件的結溫 Ta表示環(huán)境溫度 Rjc表示器件結點至殼體的熱阻 Rca表示器件殼體至環(huán)境的熱阻 在絕大多數(shù)的情況下，器件內部的功率耗散是由IC的功率耗散所決定的。通過減少寄生電容，使用小型的具有較小功率輸出的緩沖裝置，以及具有較大電阻設計的模擬系統(tǒng)，MCM的功率耗散可能較低。 在MCM器件的熱設計中，結點至器件殼體的熱阻要加以最大限度地控制。MCM器件功率的增加，導致發(fā)熱密度的增加，由于截面積的減小，導致熱阻的增加。然而一些MCM器件使用導熱材料作為散熱器，導熱材料降低熱阻的效果是非常明顯的。一般來說這些

7、材料的熱傳導性能比起那些在傳統(tǒng)PCB中使用的要好。 器件殼體至周圍環(huán)境的熱阻，取決于將熱量從MCM器件上散發(fā)至周圍環(huán)境中所使用的方法。這些方法包括自然對流、強迫空氣對流、冷板、熱管和液冷。在所有這些方法中，來自器件殼體的熱量被傳遞至一個中介物上，然后通過中介物將熱量從元器件上散發(fā)掉。 MCM器件殼體溫度的改變，無論是快速還是平緩，是循環(huán)往復還是維持不變，都將影響到MCM器件的完整性和可靠性。在MCM器件中，在所有材料的界面上均會因溫度的變化而產生應力，最終這反復的應力所引發(fā)的熱疲勞將導致材料發(fā)生裂縫。 在熱應力中由于具有時間因子，因而是一個非線性的現(xiàn)象。但是通過確定的每單位溫度變化在線性尺寸上

8、所引起的改變，即熱膨脹系數(shù)（Coefficient of Thermal Expansion 簡稱CTE），熱應力常常被假定為是不隨時間變化的線性現(xiàn)象。 應力的大小和它對系統(tǒng)的影響取決于一些參數(shù)，其中包括相關的強度極限、彈性變形和各種各樣材料的厚度，焊點對熱應力特別敏感，因為工作和儲存溫度可能非常接近它們的焊接溫度，熱應力可能引起裂縫、空隙和電接觸失效。 滿足MCM器件熱評估的常用方式包括滿足熱沖擊和熱循環(huán)測試的應用標準，近來熱模擬程序也已經可以獲得。通常上述兩項技術被共同用來消除器件的內在缺陷。 在MCM器件設計中有一些熱設計的選擇方案，可用于增強器件的熱性能和可靠性。一種切實可行的方式就是

9、降低結點至殼體的熱阻。絕大多數(shù)的MCM器件熱量的排出不是從基片的上方，就是貫穿基片后散發(fā)出來，下面分別談談這兩種熱量散發(fā)的特點: 基片上方的熱量散發(fā) 若MCM器件采用基片上方的方式排出熱量，一般是采用在IC器件背后倒裝固定有散熱活塞的IC器件，這種方式效率很高，但是費用昂貴，其最主要的優(yōu)點是將電路和熱設計措施相分離，而最主要的缺點是增加了復雜程度，每塊芯片需要一個活塞，這就增加了費用。 貫穿基片的熱量散發(fā) MCM器件采用貫穿基片的方式排出熱量，一般是熱量先通過IC然后才到基片。這種方式與基片上方散熱相比較而言，價格便宜。但是由于它們的熱性能是和機械、電性能相關的，所以有一個綜合折衷考慮的問題。

10、采用基片上方散鵲腗CM器件在大型計算機中是常用的。而采用貫穿基片散熱的MCM器件常常被用在對價格頗為敏感的設備中。圖1示出了MCM器件采用基片上方（右）和貫穿基片（左）冷卻時的熱流方向。 采用貫穿基片散發(fā)熱量的MCM器件，要求在電性能、機械性能和熱性能之間進行折衷考慮。導熱率通常為一股熱流通過IC 和基片至背部或者散熱器的一個三維問題?？偟膶嵝阅苋Q于IC和MCM外表面之間的材料厚度及導熱率。其傳熱通道中包含導熱和絕緣層、管芯的連接材料、外殼、散熱片和基座的基片材料。 能否選好基片材料是一個頗為關鍵的問題，因為它將影響到電性能、機械性能和價格。所使用的常規(guī)標準材料包括適用于MCM-L 的有機

11、層壓材料（FR-4、聚酰亞胺等）、適用于MCM-C 的氧化鋁以及適用于MCM-D 的氧化鋁或者硅。 有機層壓材料的導熱率較低，不能用于具有較大功率的MCM器件。氧化鋁的導熱率中等，而相比之下硅的導熱率較好。對于MCM-D器件而言，絕緣薄層的熱阻可能遠遠高于實際基片的熱阻。在許多情況下，熱通道能夠通過低熱導率層而形成，以求達到較低的總熱阻。圖2表示一塊MCM-D 基片能夠將管芯與傳熱通道相連接（右）和分離（左）。 在未來的MCM器件中，一些具有更加良好導熱特性的材料可能獲得快速的發(fā)展。為了能夠滿足高性能、大功率電子設備的需要，氮化鋁的應用可能將超過氧化鋁，以滿足MCM-C 的使用要求。因為氮化鋁

12、能夠提供良好的導熱率，并且它具有與硅材料頗為接近的熱膨脹系數(shù)（CTE）。相對而言，氮化鋁材料價格比較昂貴，因此不大可能進入對費用問題較為敏感的應用領域。鉬具有較高的導熱率和適中的熱膨脹系數(shù)（CTE），它能用于MCM-D器件中，它的導電性允許基片同時充當接地面。它在制造時所采用的技術要求類似于硅，它的價格與氧化鋁比同樣顯得較貴，它能夠形成較大的尺寸規(guī)格。 控制熱量的另一個有效方式是降低殼體至環(huán)境的熱阻，將熱量從MCM器件的殼體傳遞到周圍環(huán)境的典型做法是熱傳導（例如液體冷卻）或者對流（例如空氣冷卻），液體冷卻非常有效但是費用昂貴，自然對流（例如受熱空氣在器件上方垂直上升）或者強迫空氣冷卻（例如風扇

13、）是除了高性能MCM器件以外最普遍采用的冷卻方法。為了能夠最大限度地達到熱對流的效果，可以采用散熱片或者翼片，這甚至對廉價的MCM器件也是如此。 在對MCM器件進行散熱的技術中，強迫空氣冷卻熱交換器作為綜合風道和散熱片設計將獲應用，其中一項技術是將MCM器件安置在一種夾層疊加的結構之中（MCM器件和熱交換器相互交錯）。下面著重介紹一種由荷蘭Electronic Products 公司研究開發(fā)的熱交換器，該熱交換器包含兩種綜合功能的結構，它們是具有凹槽的散熱片和形成風道的散熱片。散熱片以鋸齒形形狀位于凹槽的頂部，它能給通過MCM器件的冷卻空氣進行均勻的分配。該通道為了滿足空氣流動的需要，被交替地

14、連接至熱交換器的入口或出口處，強迫氣流通過冷卻結構的小型狹長條，該結構實現(xiàn)了熱流密度的高值，對低的空氣潛熱予以忽略。 這種具有入口和出口管道的完整的熱交換器，該熱交換器具有一扁平的頂部和底部表面，以滿足對MCM器件的基片或元器件的冷卻。在使用時它要接上空氣的進氣口管子和出氣口管子。該熱交換器的內部結構，其中具有大量的凹槽散熱器基座，以及與每個凹槽間距相適應的鋸齒形狀的散熱片。顯示出了空氣是怎樣通過該組件的，冷卻空氣從熱交換器的一端進入，流過凹槽的凹陷處，從而將散熱片上的熱量帶走，空氣氣流的入口在下部，在另外一端氣流沿著凹槽/通道區(qū)域排出去。 采用自然對流冷卻是最便宜的，常常用于要求高可靠性的設

15、備中，例如無線電通信設備，它避免了昂貴的費用和常常影響到設備可靠性的風機。在眾多的設計因素中，令人感興趣的限制因素之一是噪聲控制，而它往往是在機箱內部的風機所產生的湍流而引起的，采用了自然對流冷卻，就避免了這一現(xiàn)象的產生。在臺式電腦中風機的使用非常普遍，它能良好地散發(fā)熱量，因為IC的可靠性一般優(yōu)于機械部分，所以這樣做主要是為了能夠滿足性能要求，而不是高可靠性。 在MCM器件中熱管理的另一個主要方面是預防由應力引起的相關失效，這就要求人們仔細地設計MCM器件的工藝過程，以及它對材料選擇所產生的影響。低應力材料和相鄰材料之間的熱膨脹系數(shù)的匹配是非常重要的。此外，IC、基片和殼體的熱膨脹系數(shù)的密切吻合也是非常重要的。結束語 MCM器件在未來的發(fā)展過程中