半导体封装热管理：焦点与趋势
半导体封装热特性主要是由一些关键性指标来衡量，进而描述封装IC的热性能。用这些指标作为筛选比较各种封装器件性能的参考。一些制定标准的机构如SEMI(半导体设备及材料国际组织)和JEDEC(联合电器装置工程委员会)已经率先采用θ(热阻)作为其性能指标。热阻大小与封装半导体内的温度及其热功耗有关，故热阻大小的标定需要规定在一定且标准的环境下测量封装器件的温升而给出的。封装器件测试环境主要有两类，分别是“静止空气”和“流动空气”，且其要放在1S0P(低导热测试板)或者2S2P(高导热测试板)进行测试。
　　需要指明，上述热阻指标只能作为在标准环境下进行比较封装器件性能的参考而不能用在特定环境下。标准JESD51-2(集成电路热测试方法环境自热对流)指出：“结壳热阻的指标只是在同一标准环境下比较封装器件相互之间热特性差异。这种测试方法制定的目的不是用于在特定应用环境下预测判断封装器件的热性能。”
　　综上所述，这种热阻指标对于筛选封装器件热性能会有一定帮助(即使不是很有帮助)，也可指导最终用户预测器件在实际工作环境中的结温或壳温。毕竟,应用这些温度再根据器件实际表现性能和可靠性，来判断器件产品最终热性能。
　　JEDEC JC-15 标准在几年前就已启动，其关注于满足最终用户通过这个标准来创建精简热模型(CTMS)。区别于其它特性指标，这种模型(CTMS)仅仅是作为预置好的IC封装热模型。如最精简的双热阻模型由JESD15-3标准规定其热阻值，即规定结壳热阻(θjc)是热量从结到壳经过的热阻，结板热阻(θjb)是热量从结到板子的热阻。任何这样的双热阻模型本应是较准确的反映实际热阻分布的。然而其双热阻模型的简单化，一定程度的限制了其精度。假设热量要么向上或向下流出的方式对于许多普通封装形式都是过于简单化了。目前对于JESD15-3定义出的双热阻实际应用情况总结如下：“应用双热阻值在一定环境下得到的结温比实验测量的值误差有时可达30%左右，当然此数字只是一个参考，觉不能说明双热阻的定义方式是错误的。
　　鉴于更精确的精简热阻模型(CTMs)的需要，“独立边界条件”的热阻模型已得到欧盟资助三年的DELPHI(集成设计环境物理模型库的发展)项目而产生，其创建了更加完整的热阻网络模型，进而很好的描述了封装器件复杂的热传导路径，随即JEDEC标准JESD15-4对其进行了规定实施。DELPHI热阻模型更加准确，因为其独立的边界条件使其不依赖于任何工作环境。此标准后面隐含着界定责任的分工即CTM热阻模型供应商负责给出模型的热阻特性值，而最终用户负责给出此模型的应用环境。这些模型完全可以用在“系统级”和“板级”的热仿真中(通常是以软件为基础的计算流体力学的仿真中)精确的预测其结温和壳温(如图1所示)。 　　图1
　　所有的热指标和双热阻模型参数都可以通过实验得到。DELPHI热阻模型目前只能通过数值仿真得到其参数。最近由Mentor Graphics推出的FLOTHERM-IC软件不仅可以对上述的所有类似的指标通过仿真模拟等到也可以创建出相应的双热阻模型和DELPHI模型。这种自动操作流程为供应商到最终用户提高了全方位的热阻指标和模型参考。
　　封装热阻特性目前面临两大难题。其一,是目前仅用一个固定的热阻值而没考虑封装器件性能所表现出的瞬态随时间变化的特性。除了一些非常特殊的封装是有标准依据(如JESD24-3)测试其热阻抗之外，还没有明确的标准规定其测试指标或精简热阻模型需考虑把固有的热阻稳态假设和其相应的热容指标结合在一起。而通过对封装器件进行加载功率的开或关的实验测试，可以精确的测量封装的热响应变化即得到结温随时间的变化曲线。这条曲线可以根据热结构函数进行数学变换得到热阻和热容的构造图表，在这张图表里可以看到热流最终离开封装体整个路径下的热阻和热容的系列变化(如图2所示)。
　　图2
　　其二,急待解决的难题就是目前热特性测试标准都是基于单一热源的假设。而在有些封装器件中如SiPs, MCMs等其它类似结构的都含有多个热源——其多处结都会产生温升。由于多处功率耗散合会引起多点温升，故需要制定出针对此种情况的热阻指标。JESD51-31规定了如何修改现存的测试边界条件和有关任何功耗合并测试引起的温度升高的说明。即将出版的标准将规定如何更好的应用这些特征信息，如采用重叠整合的方法。总之，最终的挑战就是如何给多芯片封装提供独立的边界条件(BCI)和瞬态的精简热阻模型(CTMs)。