高导热要求的CSOP陶瓷外壳热设计

余咏梅

（福建闽航电子有限公司，福建南平353001）

高导热要求的CSOP陶瓷外壳热设计

余咏梅

（福建闽航电子有限公司，福建南平353001）

文章介绍了CSOP陶瓷外壳的热设计。主要通过散热结构设计、散热结构的材料选择、散热结构加工工艺等来实现。经热阻仿真、Rθjc测试来验证热设计结果，证明能够实现小外形陶瓷外壳高导热要求，为小外形陶瓷外壳的热设计提供了借鉴。

CSOP；导热孔；钎焊孔隙；热沉

1 引言

集成电路发展要求封装功能和性能更优、体积越来越小、功率密度更大、节能环保等。随着半导体工艺技术的不断发展，芯片的工作电压不断降低，对陶瓷外壳压降、热耗散的要求更高。

由于塑封产品在气密性、热特性、贮存和工作温度等可靠性方面存在较大的缺陷，需用陶瓷封装替代。多电源电压供电系统对压降、热耗散有一定的要求，因此，对配套的陶瓷封装外壳的低电阻、低热阻设计也提出了要求。

2 CSOP陶瓷外壳热特性要求

集成电路体积要求越来越小，CSOP封装形式是一种理想的选择，它外形尺寸小、厚度薄，采用平行缝焊或金锡熔封封装工艺。热特性要求热阻值必须根据电路的使用要求，控制在规定的范围值内。CSOP封装器件在板级组装过程中存在可靠性问题，对CSOP陶瓷外壳提出了热特性要求。

以几款典型电路为例，如多电源电压供电系统需要3 A带VTT（电压匹配功能）的电流源/电流沉调整器、双路输出线性低压（LDO）型电压调整器等集成高性能LDO，为VTT轨提供电源，通过更改LDO的输入，以优化总功耗。双路调整器要求具有独立的热关断保护和200 ms延时开漏输出上电复位功能。其热阻值根据产品结构尺寸不同而有所差异，热阻规范值要求参见表1。

CSOP型带热沉陶瓷封装外壳是一种小型化、表贴式的封装外壳，其翼型引线有利于吸收外壳与PCB之间因温度变化所产生的热应力，提高电路安装的可靠性，背面加装钨铜热沉（也叫钨铜散热底板），可大幅降低芯片到外壳表面的热阻，满足多电源电压供电系统的要求。

表1 CSOP型带热沉陶瓷封装外壳产品热阻规范值一览表

3 CSOP陶瓷外壳热设计

CSOP陶瓷外壳热设计主要从外壳的导热通路结构、散热结构的材料、散热结构的加工工艺等几方面来考虑。

3.1 CSOP陶瓷外壳导热通路结构设计

陶瓷外壳热设计，首先从结构上考虑。导热通路结构设计一般是通过传导、对流、辐射三种方式。即从芯片上的发热结通过芯片→芯片粘接层→外壳底座到外壳表面的散热是热传导，从外壳外表面到周围环境的散热是对流和辐射。

CSOP陶瓷外壳导热通路结构设计主要考虑传导方式。我们设计了将热沉直接焊接在陶瓷芯腔背面和在陶瓷底片上冲孔、注浆，将热沉焊接在陶瓷底片背面这两种热传导方式。其中将热沉直接焊接在陶瓷芯腔背面，热沉和芯片直接接触，起到固定芯片和导热的作用，参见图1；在陶瓷底片上冲孔、注浆，将热沉焊接在陶瓷底片背面，通过注浆孔与底层的芯片键合区相连通，起到导热作用，参见图2。

图1 热沉和芯片直接接触式产品结构示意图

图2 热沉和注浆导热孔接触式产品结构示意图

通过与高温陶瓷制造工艺的反复试验验证，在产品结构设计时必须关注不同产品应根据腔体的大小，设计不同的注浆孔排布方式及数量。如陶瓷外壳腔体尺寸为1.60 mm×1.60 mm，阵列式排布可设计为3×3 (排)共9个注浆孔；陶瓷外壳腔体尺寸为4.90 mm× 2.10 mm，阵列式排布可设计为6×3(排)共18个注浆孔；陶瓷外壳腔体尺寸为5.90 mm×2.50 mm，可采用交错排列式，设计为11×4(排)共44个注浆孔。散热孔位、数量的设计要结合芯片设计，有利于发热部位热量的排出。

3.2 CSOP陶瓷外壳散热结构的材料选择

CSOP陶瓷外壳设计总的技术路线为：结构设计→材料设计→工艺设计。

CSOP陶瓷外壳工艺技术路线为：流延→叠片层压→注浆（必要时）→印刷→层压→切割→高温共烧→镀镍→钎焊→镀镍镀金→退火→检验→包装→入库。

在结构设计上，考虑了为实现外壳良好散热的导热孔和热沉的传导散热方式，基于外壳电性能和热性能的要求，导电材料选择钨金属浆料，导热材料选择钨铜合金材料，CSOP陶瓷外壳选择的材料清单参见表2。

表2 CSOP陶瓷外壳材料清单

材料设计也是关键的一环，钨-铜合金综合了金属钨和金属铜的优点，其中钨熔点高(熔点为3410℃)，密度大(密度为19.34 g/cm3)，铜导电导热性能优越，钨-铜合金既具有钨的低膨胀特性，又具有铜的高导热特性，其热膨胀系数和导热导电性能可以通过调整钨-铜的比例而加以改变。钨-铜的微观组织均匀、耐高温、强度高、密度大，导电、导热性能良好，与陶瓷热膨胀系数较匹配，是热沉的良好材料。

因此，选用钨-铜合金作为热沉材料，使芯片因热效应产生的热量通过外壳散发到周围环境中去，从而抑制电路的温升，解决大功耗电路的散热问题。

不同比例钨-铜材料热膨胀系数与92%氧化铝陶瓷的热膨胀系数存在最佳匹配的问题，需通过试验对比验证。表3是钨-铜材料热膨胀系数一览表。

我国有关行政主管部门关于安全使用各种水产用兽药的科学知识普及与宣传力度不够，导致在水产养殖中的一些错误的用药观念流传甚广。处于生产第一线的水产养殖业者难以系统获得科学用药的知识，他们关于水产用兽药的知识大多是来自一些水产用兽药生产企业的业务人员不系统甚至片面的宣传。近年来，一些有悖于科学的用药观念正在我国部分的水产养殖地区流传。例如“治病先杀虫”“猛药能治病”“泼洒没有错”等用药理念，导致药物滥用成为普遍现象。

表3 钨-铜材料热膨胀系数一览表

由于WCu15和WCu20的热膨胀系数与92%氧化铝陶瓷相近。通过试验，WCu15与92%氧化铝陶瓷通过银铜焊料结合较好,WCu15作为热沉材料是较理想的选择。

3.3 CSOP陶瓷外壳散热结构加工工艺

CSOP陶瓷外壳在制造工艺上，通过控制外壳芯腔的平坦度、钎焊孔隙率、金属化通孔的空洞、带热沉的安装翘曲度等来保证产品热性能的一致性，满足器件的散热要求，有效避免芯片的热应力破坏，提高半导体器件的工作稳定性和可靠性，延长器件的使用寿命。

4 热设计验证

CSOP陶瓷外壳热设计的验证也是保证产品热性能的重要手段。主要通过CSOP陶瓷外壳的Rθjc模拟、Rθjc数学计算、Rθjc的测试和验证结果分析，来证明CSOP陶瓷外壳热设计的可靠性。

4.1 软件模拟计算数据

封装热阻仿真计算利用自带热场、流体场求解器的有限元软件Ansys Icepak 14.5进行，其基本方法是对三维模型进行有限元划分并通过求解器反复迭代计算，收敛后得到的结果即为热仿真结果。仿真模拟计算数据见表4。

4.2 数学计算

陶瓷外壳的热阻值也可通过热阻计算获得。其数学计算方法可参考《电子与封装》2014年4月刊贾松良等撰写的《有关QFN72和CQFN72的热阻计算》一文，本文不做赘述。

表4 CSOP电路热阻仿真计算结果

4.3 实际测试

封装后的陶瓷外壳进行了热阻实际测试，测试内容为结-壳热阻θjc。测试原理是根据JEDEC JESD51-1相关标准进行，测试设备是T3ster 2000热阻测试仪。测试结果见表5。

表5 CSOP陶瓷外壳结壳热阻测试结果

4.4 数据分析

(1)仿真计算用到的材料热导率参数是由外壳厂商、原材料厂商提供的，只是一个范围值，每批原材料参数之间存在偏差，没有专门根据外壳批次提供的准确的热导率测量报告证明其参数的准确性。

(2)仿真计算设置的导热环境是理想的，保证热量只流向主导热通道。而实测环境无法保证热量完全流向主导热通道，部分热量沿陶瓷外壳其他面和盖板流出。

(3)仿真建模中，芯片与基座焊接、陶瓷外壳与热沉钎焊均处理为理想情况，即不存在焊接孔洞、不考虑接触热阻。而实际情况并非如此，这也是导致仿真值与实测值偏差的重要原因。

测试结果显示，CSOP20-0.65型带热沉陶瓷外壳的热阻值达不到规范值要求，需改进，为完善下一步的研制工作提供了参考数据。

5 结束语

CSOP陶瓷外壳热设计，通过散热结构设计、散热结构的材料选择、散热结构加工工艺、热设计验证，证明能够满足小外形陶瓷外壳高散热要求，为小外形陶瓷外壳的热设计提供了借鉴。

[1]王先春，贾松良，陈裕焜．集成电路封装试验手册[M]．北京：电子工业出版社，1998．

Thermal Design of High Heat Dissipation CSOP Ceramic Shell

YU Yongmei
（MinHang Electronics Co.,Ltd.,Nanping 353001,China）

The paper introduces the thermal design of CSOP ceramic shell,mainly covering design of heat dissipation structure,the materialselection ofheat dissipation structure,and the processof heat dissipation structure.The simulation of thermal resistance and R theta jc test verify that thermal design meets the high heat dissipation requirements of small ceramic shell and provides reference for thermal design of the small ceramic shell.

CSOP;thermalconductive hole;brazing pore;heatsink

TN305.94

A

1681-1070（2017）08-0005-03

余咏梅（1966—），女，江西人，高级工程师，从事陶瓷封装外壳研制工作二十多年。

2017-4-6