3.4.5　封装散热分析优化

随着现代电子技术的飞速发展，电子产品日益趋向小型化。为了提高集成度，封装体的安装方式也随之从PCB穿孔形式转化到当前的表面贴装形式，从而PCB上可以安装更密的IC，由此带来的散热问题也愈发严重。解决散热问题的基本方式：通过热设计改善元器件本身的构造来增强元器件的散热性能。此外，由于过多的热量通过PCB向外传出，因此需要使用多层PCB来提升散热能力。再进一步，当发热密度继续增加时，需要进行散热片或风扇的安装等系统层级的热设计。从节约成本角度考虑，上述各层级的费用通常是递增的，因此在散热设计与成本之间寻找良好的平衡显得尤其重要。

封装散热主要有两条途径：一条是由封装外壳表面传递到空气中；另一条则是由封装体引脚向下传递到PCB，再经PCB传递到空气中。不同封装体的散热途径不同。以导线引脚形式的封装体为例，它向下传递的热量又可分成两部分：如果封装体没有裸露金属的基岛，那么一部分热量经由导线及引脚传递到PCB，另一部分热量从芯片经过模塑材料下方空隙导出；如果封装体有基岛，那么大部分热量先由芯片传递至基岛，再传递至PCB，其余小部分热量则由引脚传递至PCB。BGA封装的芯片热量先从基板传递到锡球，然后传递至PCB。

自然对流时，散热设计的基本原则是使芯片热量更容易传递至PCB。强制对流时，大部分的热量由封装体外壳表面传出，此时散热设计的基本原则是降低θJC。

封装热阻的改善手段包括优化结构设计、材料性质两个方面，如图3-105所示。

下面分别从金属引线框架和基板两种封装结构的散热设计进行介绍。

1. 金属引线框架封装

金属引线框架的封装形式包括QFP、薄型小尺寸封装（Thin Small Outline Package，TSOP）、塑料行间芯片运载（Plastic Leaded Chip Carriers，PLCC）封装等，虽然这些封装的引脚数量及外形不同，但它们在结构上是类似的，因而散热改善的方式也有共性。

（1）采用高导热系数的塑封材料。

使用导热系数高的塑封材料可以降低热阻。例如，在SOP-8L封装中，与导热系数为1W/(m·℃)的常用塑封材料相比，导热系数为3W/(m·℃)的塑封材料的热阻可降低20%。

（2）采用热传导性好的金属引线框架。

使用热传导性好的铜合金取代铁镍合金Alloy-42可改善金属引线框架的热传导性。这里以QFN为例进行介绍，如表3-6所示。

（3）降低封装体底部到PCB表面的距离。

降低封装体底部到PCB表面的距离，即减小SoH，可降低空气间隙的热阻，如图3-106所示。

以小尺寸三极管（Small Outline Transistor，SOT）4mm×5mm 封装为例进行仿真，仿真结果表明，当SoH由200μm降至50μm时，θJA将降低约17%，如表3-7所示。

（4）基岛外露增强散热性能。

传统封装体通过引脚传递热量，不仅接触面积小，散热距离长，而且引脚与基岛不是直接接触，而是通过导线或塑封料传递到引脚，所以散热效率很低。以小尺寸封装（Small Outline Package，SOP）为例，采用SOP基岛外露设计，并直接焊接用于散热的基岛与PCB，从而缩短散热距离，达到增强散热性能的目的，如图3-107所示。

图3-108所示为SOP散热性能与SOP-PP散热性能仿真对比图。在功耗为0.5W的条件下，SOP的热阻为78.8℃/W，SOP-PP的热阻为62.4℃/W，后者比前者大约下降了20.8%，大幅改善了散热效果。

2. 基板类封装

以系统级封装PA芯片为例，如果芯片发热源数量多、密度高，那么芯片温度会大幅升高，如图3-109所示。

在图3-109中，左图为芯片两种工作模式（Mode 1和Mode 2）的热源分布，其中颜色较深的区域为发热源，Mode 1的发热源数量比Mode 2的发热源数量多；中间图是芯片在Mode 1模式下的温度分布图；右图是芯片在Mode 2模式下的温度分布图。可见，Mode 1整体温度比Mode 2整体温度高。

针对常规基板类封装一般采用如下优化措施进行散热性能的改善。

（1）基板绿漆开窗及使用导热装片胶。

基板类系统级封装的主要散热通道是从芯片到PCB。其中第一个环节是装片胶，其导热系数直接决定了热量能否顺利快速向下传递。此外，基板的绿漆是导热系数比较低的材料，其导热系数一般为0.2～0.3W/(m·℃)。一般采用导热装片胶与绿漆开窗相结合的方式来改善封装的散热性能。这里采用BGA 14m×14m封装进行仿真验证。仿真结果表明，采用导热装片胶与绿漆开窗相结合的方式可以使热阻下降9%，如表3-8所示。

（2）增加基板通孔数量。

通孔是贯穿基板的重要结构，是封装体向下传递热量的重要途径之一，如果没有通孔，芯片的热量就会被导热系数很低的基板芯材阻隔，热量很难传递到锡球并散出。这里采用BGA 18mm×18mm封装进行仿真验证。仿真结果表明，当通孔数量从20个增加到100个后，热阻下降7%，此时通孔数量对导热性能的影响达到饱和，即继续增加通孔数量，热阻下降效果不明显，如表3-9所示。

（3）增加基板铜层厚度。

通孔是基板垂直方向传递热量的重要途径，而基板水平方向的热量传递则主要依靠基板线路。适当地增加基板线路厚度可以增强基板水平方向的导热能力，从而提升封装体的热传递性能。这里采用BGA 14×14封装进行仿真验证。仿真结果表明，在四层基板构架中，如果增加中间两层铜层的厚度，那么热阻下降5.9%，如表3-10所示。

（4）塑封体上表面（Mold Cap Surface）增加散热片。

在塑封体上表面安装散热片，从而增加封装表面到空气的散热量也是常用的方法之一，特别是对于功率密度集中的系统级封装体，增强热量的扩散非常重要。

传统塑封体的导热系数比较低（1W/(m·℃)左右），高温区域主要集中在芯片上方，很难向外扩散，如图3-110所示。

仿真结果表明，增加了散热片后，热量分布得更加均匀，芯片的局部热量得到有效分散，从而增强与空气的对流散热，提高散热效率，如图3-111所示。