電子元器件封裝與散熱的優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：本論文探討了在現(xiàn)代電子器件設(shè)計(jì)和制造中，封裝與散熱的關(guān)鍵優(yōu)化策略。通過(guò)選擇封裝形式和材料，重建引腳布局，封裝密封的方法優(yōu)化封裝設(shè)計(jì)，從而保護(hù)內(nèi)部元件免受外部環(huán)境的影響，提高產(chǎn)品的壽命和可靠性；通過(guò)安裝散熱附加結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)液體冷卻結(jié)構(gòu)的方法優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)，從而有效地管理和排除產(chǎn)生的熱量的，使電子元器件的溫度保持在適宜的工作溫度范圍內(nèi)。這一研究對(duì)電子元器件設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域具有重要的指導(dǎo)意義，期望可以推動(dòng)電子產(chǎn)品的發(fā)展和應(yīng)用范圍的擴(kuò)展。

關(guān)鍵詞：電子元器件；封裝與散熱；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0引言

隨著科技的快速發(fā)展，電子元器件在通信系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化等各個(gè)領(lǐng)域中扮演著重要的角色。人們對(duì)于電子元器件的性能要求越來(lái)越高，封裝和散熱是影響電子元器件性能的重要因素。封裝是指將電子元器件封裝在外部材料中的過(guò)程，以保護(hù)器件免受環(huán)境因素的影響，如濕氣、灰塵和化學(xué)物質(zhì)，并提供機(jī)械支撐以及實(shí)現(xiàn)電氣連接。電子元器件在封裝過(guò)程中也面臨著散熱問(wèn)題的挑戰(zhàn)，散熱性能的不足會(huì)顯著影響電子器件的可靠性。為解決這一問(wèn)題，本文從電子元器件的封裝和散熱兩方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)封裝的外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部材料以及散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，確保電子器件在滿(mǎn)足高性能和可靠性要求的同時(shí)，能夠在各種環(huán)境和工作條件下穩(wěn)定運(yùn)行。

1電子元器件的封裝設(shè)計(jì)優(yōu)化

1.1選擇封裝形式和內(nèi)部材料

為滿(mǎn)足現(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)小型化和高性能的需求，應(yīng)選用表面貼片的封裝形式，從而提高電子元器件的安全性能。以下是表面貼片工藝的流程，如圖1所示。

如圖1所示，劃片是表面貼片工藝的第一步，這是半導(dǎo)體晶圓的分離過(guò)程。在此步驟中，使用切割設(shè)備將由多個(gè)相同的電子器件組成的半導(dǎo)體晶圓進(jìn)行切割或分離，形成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的芯片。然后，利用裝架工藝將芯片封裝基板，并使用導(dǎo)熱膠將芯片粘貼在基板上，從而確保芯片與基板之間的電性連接。其次，將金屬線焊接到芯片和基板上，以建立電氣連接，完成引線鍵合。這個(gè)步驟確保信號(hào)和電力傳輸?shù)捻槙?，是電子器件正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。最后，將通過(guò)鍵合技術(shù)連接的封裝載體與蓋板組合，以確保氣密性封焊，從而保護(hù)電子元器件免受外部環(huán)境的干擾，確保其長(zhǎng)期可靠性。在整個(gè)封裝過(guò)程中，焊料在封裝結(jié)構(gòu)中主要起到導(dǎo)電、導(dǎo)熱和粘接等作用，焊料層的材料和厚度會(huì)影響電子元器件的散熱效果和可靠性。以下是幾種常見(jiàn)的焊料層材料的熱參數(shù)如表1焊料層材料的熱參數(shù)表所示。

熱導(dǎo)率表示單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的物質(zhì)傳導(dǎo)熱量的量度，熱導(dǎo)率越大表明物體的導(dǎo)熱性能越好，由表1可知，納米銀焊膏熱導(dǎo)率為240，遠(yuǎn)大于其他兩種材料，導(dǎo)熱性最好，但是目前燒結(jié)工藝不成熟。SnAg焊料熱導(dǎo)率比SnPb焊料稍高，SnPb焊料含有有毒物質(zhì)且高溫下容易出現(xiàn)焊料空洞。綜合成本和散熱考慮，選用SnAg焊料作為電子元器件的封裝材料。以下是三種材料厚度對(duì)電子元器件結(jié)溫的影響，如圖2所示。

如圖2所示，增大焊料層厚度將會(huì)導(dǎo)致熱阻的增大，進(jìn)而引起芯片最高溫度的增高，但是焊料層厚度增大與芯片結(jié)溫升高不是成比例的。當(dāng)厚度一致時(shí)，納米銀焊膏對(duì)應(yīng)的芯片最高溫度是最低的，SnAg焊料和SnPb焊料對(duì)應(yīng)的芯片最高溫度相差不大，這是由材料本身的熱導(dǎo)率決定的，當(dāng)厚度為0.1mm時(shí)，納米銀焊膏焊料對(duì)應(yīng)的芯片最高溫度為85.87℃,其值比SnPb焊料低0.53℃,比SnAg焊料低0.27℃。當(dāng)焊料層厚度大于0.18mm時(shí)，三種焊料對(duì)芯片結(jié)溫影響基本穩(wěn)定且芯片最高溫度相差不大。從散熱角度考慮，焊料層厚度越小越好，但是焊料層厚度太薄會(huì)影響器件的導(dǎo)電和芯片粘接能力，所以焊料層材料確定為0.1mm的SnAg。

1.2重建引腳布局

選擇好封裝形式和材料后，為優(yōu)化封裝內(nèi)部改造，應(yīng)根據(jù)封裝形式和材料重建引腳布局。引腳布局優(yōu)化的具體步驟如下。（1）將相關(guān)信號(hào)的引腳靠近安排，以減小信號(hào)傳輸路徑的長(zhǎng)度，降低信號(hào)失真。（2）將電源引腳與地引腳安排得近似對(duì)稱(chēng)，以確保穩(wěn)定的電源供應(yīng)和地連接，從而有助于降低電源噪聲和提高信號(hào)完整性。（3）將差分信號(hào)的正負(fù)引腳對(duì)放置在相對(duì)靠近的位置，并使差分信號(hào)的兩個(gè)引腳在信號(hào)路徑長(zhǎng)度上保持平衡，避免差分信號(hào)的引腳交叉或交叉路徑，從而減小差分信號(hào)之間的物理距離，防止信號(hào)互相干擾。(4)將時(shí)鐘信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)分別放置在不同的引腳組中，使相似功能或相互關(guān)聯(lián)的信號(hào)引腳分組在一起。將電源引腳和地引腳分開(kāi)布局，從而降低電源噪聲對(duì)信號(hào)的影響。將時(shí)鐘信號(hào)、復(fù)位信號(hào)和時(shí)序控制信號(hào)分組在一起，以確?？梢酝讲僮髋c時(shí)序相關(guān)的信號(hào)。

1.3封裝密封

封裝密封是封裝環(huán)節(jié)的最后一個(gè)步驟，其表面材料的選擇則對(duì)于保護(hù)元器件免受外部環(huán)境因素的影響至關(guān)重要。以下是聚氨酯泡沫材料的主要性能，如表2所示。

聚氨酯泡沫材料為高密度固體，所以機(jī)械強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好，不易變形，可在-80℃~60℃下正常發(fā)揮作用。且粘附力強(qiáng)，對(duì)鋼、鋁等金屬具有很好的附著力。聚氨酯發(fā)泡材料介電常數(shù)在4.0~7.5范圍內(nèi)，體積電阻系數(shù)為2×1011-2×1015Ω·cm，具有比較優(yōu)良的電性能導(dǎo)熱系數(shù)為0.035W/(m·K)，絕熱效果很好。聚氨酯泡沫材料流動(dòng)性很好，在發(fā)泡固化前為液體，封裝過(guò)程中能順利充滿(mǎn)復(fù)雜形狀的模腔或室間，不易出現(xiàn)空腔現(xiàn)象。聚氨酯發(fā)泡材料封裝工藝流程如圖3所示。

首先，在封裝工程中，維護(hù)高標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)生和安全要求至關(guān)重要。在操作過(guò)程中，工人必須佩戴適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)設(shè)備，包括防塵口罩和工作服，以避免呼吸到聚氨酯發(fā)泡材料的微?；蚺c其皮膚接觸。

然后，再進(jìn)行封裝前的準(zhǔn)備工作，清潔和準(zhǔn)備電子元器件，確保其表面干凈，無(wú)灰塵和油污。然后，根據(jù)元器件的形狀和尺寸定制模具，并在清洗后的電子元器件上加裝模具，以確保元器件的位置和定位正確。其次，將電子元器件放置在封裝容器中，緩慢而均勻地倒入混合好的聚氨酯發(fā)泡材料，在這個(gè)過(guò)程中要使聚氨酯發(fā)泡材料充滿(mǎn)所有空隙，并均勻地包裹住元器件和模具。

此外，溫度和濕度的波動(dòng)可能會(huì)影響聚氨酯發(fā)泡材料的性能，因此，發(fā)泡固化的過(guò)程中將溫度控制在26℃~30℃,濕度控制在30℃~35℃,使聚氨酯發(fā)泡材料更好地膨脹、硬化并粘附到元器件表面和模具上。時(shí)間控制在30min～60min，以確保材料完全硬化。材料固化之后，要進(jìn)行檢漏工作，將封裝容器放入氣密測(cè)試裝置中，用氣壓或真空來(lái)檢測(cè)是否有氣體泄漏。

最后，去除模具。工人佩戴好必要的個(gè)人防護(hù)裝備，包括橡膠手套和護(hù)目鏡。檢查模具是否已經(jīng)完全固化，以確保安全操作。并使用刮刀或削片，去除多余的聚氨酯發(fā)泡材料。再使用清潔劑和布等清潔工具，緩慢地清潔封裝的表面，確保去除所有的塵土、雜質(zhì)或污垢，以確保最終產(chǎn)品的質(zhì)量。清潔的過(guò)程中，應(yīng)仔細(xì)檢查封裝表面，確保沒(méi)有裂縫、氣泡或其他缺陷。如果發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題，需要及時(shí)修復(fù)或更換封裝。

2電子元器件的散熱設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1安裝散熱附加結(jié)構(gòu)

較高的溫度損害電子元器件的性能和壽命，所以電子元器件的封裝工作完成后，還應(yīng)考慮電子元器件的散熱問(wèn)題。安裝散熱附加結(jié)構(gòu)是最簡(jiǎn)單高效的一個(gè)方法，在安裝散熱器前，要根據(jù)電子元器件的熱阻選擇合適的散熱器和散熱措施，其中，熱阻的計(jì)算公式如式(1)所示。

其中，RJA為總熱阻，PD為電子元器件的最大功率損耗，TJ為電子元器件的結(jié)溫，TA為環(huán)境溫度。則散熱器到環(huán)境溫度的熱阻RSA，如式(2)所示。

其中，RCS為器件底部與散熱器之間的熱阻，RSA為散熱器散到周?chē)臒嶙瑁琑JC為器件管芯傳到器件底部的熱阻?？紤]極端氣溫環(huán)境下散熱器的散熱效果，設(shè)TJ為115℃,TA為30℃~55℃,RCS為2℃/W，求得RSA值，所以根據(jù)散熱器的功率，選用翅片散熱器即可。安裝散熱器時(shí)，在機(jī)箱或機(jī)殼上相應(yīng)的位置開(kāi)散熱孔，從而使冷空氣能夠有效地流入，熱空氣能夠順暢地散出，建立良好的氣流循環(huán)，提高散熱效率。并在安裝時(shí)應(yīng)采用云母墊片進(jìn)行絕緣，防止短路和電氣問(wèn)題。同時(shí)，電子元器件的引腳要穿過(guò)散熱器，在散熱器上進(jìn)行鉆孔，孔徑為2mm，深度為0.5mm，并使套管與引腳的直徑相匹配，再套上聚四氟乙稀套管，從而提供絕緣并保護(hù)引腳不受損壞。

如果大型電子元器件的功率較大，可以利用翅片和風(fēng)扇進(jìn)行散熱。將風(fēng)扇安裝在翅片散熱器的出風(fēng)口位置，以確保熱空氣能夠有效地被抽出，并使用螺絲或夾具來(lái)固定風(fēng)扇，以防止振動(dòng)和松動(dòng)。并設(shè)計(jì)出3mm的通風(fēng)口和通風(fēng)槽，通風(fēng)口應(yīng)設(shè)置在散熱器的進(jìn)風(fēng)口和風(fēng)扇的出風(fēng)口附近，確保周?chē)h(huán)境中有足夠的自然或強(qiáng)制空氣流動(dòng)，從而使風(fēng)扇有效地冷卻電子元器件。

2.2設(shè)計(jì)液體冷卻結(jié)構(gòu)

除了安裝散熱附加結(jié)構(gòu)，對(duì)散熱裝置中的冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)也可以提高電子元器件的散熱效率。首先，要選擇適合應(yīng)用的冷卻液體，常用的冷卻液體包括水、液態(tài)冷卻劑乙二醇溶液，二者特質(zhì)如表3所示。

由表3可知，純水的導(dǎo)熱系數(shù)最大，比熱容是最高的，為4180。隨著乙二醇濃度的增加，其導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小，從0.512W/m.k降到0.301W/m.k。比熱容也逐漸減小，從3813J/kg.k降到2589J/kg.k。粘度逐漸增大密度也逐漸增大。導(dǎo)熱系數(shù)越大導(dǎo)熱性能越好；比熱容越大則在同等情況吸收和釋放熱量越多；粘度越大則壓力損失也大很難再流通。從以上特性可以得知，純水密度小、導(dǎo)熱系數(shù)大、粘度小、比熱容大，所以選擇純水作為冷卻液體。其次，冷卻通路的設(shè)計(jì)是液體冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它確保冷卻液體可以有效地流經(jīng)電子元器件，吸收熱量并將熱量帶走。

其中，需要考慮冷卻液體的流動(dòng)路徑、流速分布、流道形狀等因素。選擇回字形的串聯(lián)的流道形狀可以增大流體的流動(dòng)和熱傳導(dǎo)。串聯(lián)流道模型結(jié)構(gòu)與串聯(lián)電路有相似之處，都是從頭到尾經(jīng)過(guò)多次轉(zhuǎn)折但始終都是一根流道，可以延長(zhǎng)冷卻液與芯片之間的熱交換時(shí)間，提高散熱效率。冷卻工質(zhì)從左側(cè)入口流入后，經(jīng)過(guò)流道帶走從底部傳遞過(guò)來(lái)的熱量，然后冷卻水從右側(cè)出口流出，最后釋放熱量，從而達(dá)到冷卻降溫的目的。最后，根據(jù)液體冷卻系統(tǒng)的布局和流道設(shè)計(jì)選擇合適的高效泵，并根據(jù)流道的工作負(fù)荷來(lái)調(diào)整泵的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)智能化的冷卻管理。

3結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，電子元器件的封裝和散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)是電子技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要課題，為提升電子元器件的性能，本文從電子元器件的封裝和散熱兩方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括選擇的封裝材料和結(jié)構(gòu)，改善散熱結(jié)構(gòu)，期望這些策略可以幫助科學(xué)家繼續(xù)深入研究電子元器件的封裝和散熱，推動(dòng)電子器件的發(fā)展，滿(mǎn)足未來(lái)的技術(shù)挑戰(zhàn)。