全面掌握芯片散热设计基本概念

发布时间：2025-04-18 17:26
作者：AMYEA360
来源：网络
阅读量：701

　　一般用符号θ来表示热阻。热阻的单位为℃/W。除非另有说明，热阻指热量在从热IC结点传导至环境空气时遇到的阻力。也可更具体地表示为θJA，即结至环境热阻。θJC和θCA是θ的两种其他形式，详见下文。

　　一般地，热阻θ等于100℃/W的器件在1W功耗下将表现出100℃的温差，该值在两个参照点之间测得。请注意，这是一种线性关系，因此，在该器件中，1 W的功耗将产生100℃的温差。再者对于热阻θ=95℃/W，因此，1.3 W的功耗将产生大约124℃结至环境温差。当然，预测内部温度时使用的正是这种温度的上升，其目的是判断设计的热可靠性。当环境温度为25°C时，允许约150℃的内部结温。实际上，多数环境温度都在25℃以上，因此，可以处理的功耗会稍低。

　　对于任意功耗P(单位：W)，都可以用以下等式来计算有效温差(ΔT)(单位：℃)：

　　ΔT = P ×θ

　　其中，θ为总适用热阻。下图总结了一些基本的热关系。

全面掌握芯片散热设计基本概念

       请注意，串行热阻(如右侧的两个热阻)模拟的是一个器件可能遇到的总热阻路径。因此，在计算时，总θ为两个热阻之和，即θJA = θJC + θCA。给定环境温度TA、P和θ，即可算出TJ。根据图中所示关系，要维持一个低的TJ，必须使θ或功耗(或者二者同时)较低。低ΔT是延长半导体寿命的关键，因为，低ΔT可以降低最大结温。

　　在IC中，一个温度参照点始终是器件的一个节点，即工作于给定封装中的芯片内部最热的点。其他相关参照点为TC(器件)或TA(周围空气)。结果又引出了前面提到的各个热阻，即θJC和θJA。

　　先来看看最简单的情况，θJA为在给定器件的结与环境空气之间测得的热阻。该热阻通常适用于小型、功耗相对较低的IC(如运算放大器)，其功耗往往为1W或以下。一般而言，对于8引脚DIP塑封或者更优秀的SOIC封装，运算放大器以及其他小型器件的典型θJA值处于90-100°C/W水平。

　　需要明确的是，这些热阻在很大程度上取决于封装，因为不同的材料拥有不同水平的导热性。一般而言，导体的热阻类似于电阻，铜最好，其次是铝、钢等。因此，铜引脚架构封装具有最高的性能，即最低的θ。


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　　在当今数字化的世界里，从智能手机、个人电脑到汽车和家用电器，几乎所有电子设备的核心都离不开一个微小而强大的部件——芯片，也称为集成电路(Integrated Circuit, IC)。它的制造过程是人类智慧和工程技术的结晶，其复杂和精确程度令人叹为观止。本文将带你走进神秘的芯片制造工厂(Fab)，了解一粒沙子是如何经历“七十二变”，最终成为驱动我们现代生活的智能核心。　　整个芯片制造流程极其复杂，可以概括为三大阶段：硅片制造、晶圆厂前道工序(Front-End-of-Line, FEOL)、晶圆厂后道工序(Back-End-of-Line, BEOL)，以及最后的封装与测试。　　第一阶段：基础构建 - 硅片制造　　万丈高楼平地起，芯片的“地基”是高纯度的硅片，也称为晶圆(Wafer)。　　1.原料提纯：芯片的起始原料是沙子(主要成分是二氧化硅 SiO₂)。沙子经过高温冶炼和化学方法，被提纯成纯度高达99.999999999%(9个9到11个9)的电子级多晶硅。这种纯度意味着每十亿个原子中，最多只允许有一个杂质原子。　　2.长晶与切割：将高纯度多晶硅放入石英坩埚中，在高温下熔化。然后，以一颗单晶硅的“籽晶”作为引导，通过精密的控制，缓慢地旋转并向上提拉，生长成一根巨大的、具有完美原子排列的圆柱形单晶硅锭(Ingot)。这个过程被称为“柴氏法”(Czochralski method)。　　3.晶圆成型：接下来，巨大的单晶硅锭被用内部涂有金刚石的线锯精确地切割成厚度不足1毫米的薄片，这就是晶圆。之后，晶圆的边缘会被打磨成圆形，并在特定位置加工出缺口(Notch)或平边(Flat)，用于在后续生产中定位。最后，晶圆片会经过化学机械抛光(CMP)，使其表面达到原子级的平整和光滑，像镜面一样。　　第二阶段：核心构建 - 前道工序　　这是在晶圆上真正“雕刻”晶体管等纳米级元器件的过程，也是技术含量最高、最复杂的部分。整个过程在一个被称为“洁净室”(Cleanroom)的环境中进行，其洁净度比医院手术室还要高出数千甚至数万倍，以防止微尘颗粒影响芯片的良率。前道工序的核心是光刻(Photolithography)，并辅以刻蚀、薄膜沉积和离子注入等步骤，循环往复，层层叠加。　　1.薄膜沉积 (Deposition)：首先，根据设计需要在晶圆表面生长或沉积一层特定的薄膜材料，例如二氧化硅(绝缘层)或氮化硅等。这可以通过热氧化(将晶圆置于高温氧气或水蒸气环境中)或化学气相沉积(CVD)等方法实现。　　2.涂胶 (Coating)：在薄膜上均匀地旋涂一层对特定波长的光敏感的化学物质——光刻胶(Photoresist)。3.光刻 (Photolithography) / 曝光 (Exposure)：这是整个芯片制造中最关键、最昂贵的步骤。它就像用投影仪和胶片“拍照”。　　4.掩膜版 (Mask/Reticle)：首先，工程师会将设计好的芯片电路图案制作成一块高精度的石英玻璃板，这就是掩膜版。　　5.曝光：然后，用极紫外光(EUV)或深紫外光(DUV)作为光源，穿过掩膜版，将电路图案精确地投射到涂有光刻胶的晶圆表面。被光照射到的光刻胶会发生化学性质的改变。　　6.显影 (Development)：用特定的化学溶剂清洗晶圆，被光(或未被光，取决于光刻胶是正性还是负性)照射过的光刻胶被溶解和去除，这样，掩膜版上的电路图案就“复印”到了光刻胶层上。　　7.刻蚀 (Etching)：刻蚀就像是“雕刻”。以留下的光刻胶图案为保护层，使用化学气体(等离子体刻蚀)或液体(湿法刻蚀)剥离掉没有被光刻胶覆盖的薄膜区域，从而将电路图案永久地刻在下方的薄膜上。　　8.去除光刻胶：完成刻蚀后，用化学方法剥离掉剩余的光刻胶，晶圆上就留下了所需的第一层电路图案。　　9.离子注入 (Ion Implantation)：为了改变特定区域硅的导电性能(形成N型或P型半导体)，需要将预先选定的杂质原子(如硼、磷)加速到极高的能量，像子弹一样注入到晶圆的特定区域。这一步是制造晶体管“源极”和“漏极”的关键。上述“沉积-涂胶-曝光-显影-刻蚀-注入”的流程会重复几十甚至上百次，每一次都制作一层新的电路图案，层层叠加，最终在晶圆上构建出包含数十亿个晶体管的复杂三维结构。　　第三阶段：互联构建 - 后道工序　　如果说前道工序是在“盖房子”，那么后道工序就是在“铺设房子的水电管网和通信线路”。它负责制造金属导线，将前道工序中制作出的亿万个晶体管按照电路设计图连接起来，形成一个完整的电路网络。　　1.金属互连 (Metallization)：这个过程通常采用“铜制程”(Copper Interconnect)。首先在晶圆表面沉积一层绝缘介质(通常是低k电介质，以减少信号延迟)，然后通过光刻和刻蚀在介质上刻出沟槽(Trench)和通孔(Via)。　　2.电镀铜：接着，使用电化学沉积(ECD)的方法，将铜原子填充到这些沟槽和通孔中。　　3.化学机械抛光 (CMP)：最后，再次使用CMP技术，将晶圆表面多余的铜磨平，只留下嵌入在绝缘介质中的铜导线。　　这个过程同样需要重复多层，形成一个极其复杂的多层金属互连网络，确保信号可以在不同晶体管之间高速、准确地传输。　　第四阶段：封装与测试　　经过数百道工序后，一张晶圆上已经制造出了数百个完全相同的芯片单元，称为“裸片”(Die)。　　1.晶圆测试 (Wafer Probing)：在将晶圆切割成单个芯片之前，会用带有数千根探针的测试机对每个裸片进行电学性能测试，筛选出不合格的产品。　　2.切割 (Dicing)：用精密的金刚石刀轮沿着预设的切割道将晶圆切割成独立的裸片。　　3.封装 (Packaging)：合格的裸片非常脆弱，无法直接焊接到电路板上。封装过程就是为裸片制作一个保护性的外壳，并引出管脚，以便与外部电路连接。　　4.贴片 (Die Attach)：将裸片固定到封装基板(Substrate)上。　　5.引线键合 (Wire Bonding)：用极细的金线或铜线，将裸片上的焊点(Pad)与封装基板上的引脚连接起来。更先进的技术如倒装芯片(Flip-chip)则通过微小的焊球(Bumps)直接连接。　　6.塑封 (Molding)：用环氧树脂将整个结构包裹起来，形成我们最终看到的黑色芯片外观。　　7.最终测试 (Final Test)：封装完成后，会对芯片进行全面的功能、性能和可靠性测试，确保其在各种工作条件下(如不同温度、电压)都能正常工作。只有通过所有测试的芯片，才会被打上型号和批次，送往电子产品制造商手中。　　从平凡的沙子到驱动信息时代的强大引擎，芯片的诞生是一段漫长而精密的旅程。它融合了物理、化学、光学、材料科学和精密机械等多个领域的顶尖技术。每一个环节的精度都以纳米(十亿分之一米)来衡量，任何一个微小的瑕疵都可能导致整个芯片的报废。正是这种对极致精密的追求，才使得人类能够不断突破计算能力的极限，创造出更加智能和便捷的未来。
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　　在半导体制造领域，电气过应力(EOS)和静电放电(ESD)是导致芯片失效的两大主要因素，约占现场失效器件总数的50%。它们不仅直接造成器件损坏，还会引发长期性能衰退和可靠性问题，对生产效率与产品质量构成严重威胁。　　关于ESD　　ESD(Electrostatic Discharge) 即静电放电，指物体因接触摩擦积累电荷后，与导体接近或接触时发生的瞬间电子转移现象。放电电压可达数千伏，能直接击穿敏感的半导体结构。　　其产生方式主要包括：人体放电模型(HBM)——人体静电经芯片引脚放电;机器放电模型(MM)——自动化设备累积静电传导至芯片;元件充电模型(CDM)——带电芯片引脚接触接地体时内部电荷释放;电场感应模型(FIM)——外部电场变化引发芯片内部电荷重分布。　　ESD的危害呈现多重性：一是直接造成晶体管击穿、金属连线断裂等物理损坏;二是引发阈值电压漂移等参数退化，导致性能不稳定;三是形成微观损伤，降低器件长期可靠性;四是导致数据丢失或误操作，威胁系统安全。其隐蔽性和随机性进一步增加了防控难度。　　关于ESD的防护需采取综合措施：　　耗散：使用表面电阻为10⁵–10¹¹Ω的防静电台垫、地板等材料;　　泄放：通过接地导线、防静电手环/服装/鞋实现人员与设备接地;　　中和：在难以接地的区域采用离子风机中和电荷;　　屏蔽：利用法拉第笼原理对静电源或产品进行主动/被动屏蔽;　　增湿：提高环境湿度作为辅助手段;　　电路设计：在敏感元器件集成防静电电路，但需注意其防护能力存在上限。　　关于EOS　　EOS(Electrical Over Stress) 指芯片承受的电压或电流超过其耐受极限，通常由持续数微秒至数秒的过载引发。　　主要诱因包括：电源电压瞬变(如浪涌、纹波)、测试程序热切换导致的瞬态电流、雷电耦合、电磁干扰(EMI)、接地点反跳(接地不足引发高压)、测试设计缺陷(如上电时序错误)及其他设备脉冲干扰。　　EOS的失效特征以热损伤为主：过载电流在局部产生高热，导致金属连线大面积熔融、封装体碳化焦糊，甚至金/铜键合线烧毁。即使未造成物理破坏，也可能因热效应诱发材料特性衰退，表现为参数漂移或功能异常。更严重的是，EOS损伤会显著降低芯片的长期可靠性，增加后期故障率。　　EOS防护的核心是限制能量注入：　　阻容抑制：串联电阻限制进入芯片的能量;　　TVS二极管：并联瞬态电压抑制器疏导过压能量，建议搭配电阻使用以分担浪涌冲击;　　材料防护：采用静电屏蔽包装和抗静电材料;　　工作环境：使用防脉冲干扰的安全工作台，定期检查无静电材料污染;　　设计加固：优化芯片耐压结构及布局走线，减少电磁干扰影响。　　芯片级保护器　　为应对ESD/EOS威胁，需在电路中增设专用保护器件：　　ESD保护器：吸收并分散静电放电的高能量，防止瞬时高压脉冲损伤核心芯片，作用类似"防护罩"。　　EOS保护器：限制过电压幅值，通过疏导能量充当"安全阀"，避免持续过应力导致热积累。　　不同应用场景对保护器参数要求各异：　　汽车领域：需耐受-55℃~150℃极端温度、36V高电压及300A浪涌电流，符合AEC-Q101认证;　　工业与物联网：要求-40℃~85℃工作范围及±15kV ESD防护能力，通过JEDEC标准;　　消费电子：侧重低结电容(0.1pF~2000pF)和±8kV ESD防护，适应2.5V~30V电压环境。　　保护器通常置于信号线/电源线与核心IC之间，确保过电压在到达敏感元件前被拦截，显著提升系统鲁棒性。　　失效分析与防控策略　　区分ESD与EOS失效是诊断的关键：ESD因纳秒级高压放电，多表现为衬底击穿、多晶硅熔融等点状损伤;而EOS因持续热效应，常引发氧化层/金属层大面积熔融或封装碳化。但短脉冲EOS与ESD损伤形态相似，且ESD可能诱发后续EOS，此时需通过模拟测试复现失效：对芯片施加HBM/MM/CDM模型(ESD)或毫秒级过电应力(EOS)，对比实际失效特征以确定根源。　　产线改良需针对性施策：　　加强ESD防护：检查人员接地设备、工作台防静电材料有效性，控制环境湿度;　　抑制电气干扰：为电源增加过压保护及噪声滤波装置，避免热插拔操作;　　优化接地设计：杜绝接地点反跳(电流转换引发高压);　　规范操作流程：严格执行上电时序，隔离外部脉冲干扰源。
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　　根据WSTS的数据，2025年第二季度全球半导体市场规模为1800亿美元，较 2025年第一季度增长7.8%，较2024年第二季度增长19.6%。2025年第二季度是连续第六个季度同比增长超过18%。　　下表按收入列出了排名前二十的半导体公司。该名单包括在公开市场上销售器件的公司，不包括台积电等代工公司以及仅生产供内部使用的半导体的公司，例如苹果。大多数情况下，收入指的是公司整体收入，其中可能包含一些非半导体收入。如果单独列出收入，则使用半导体收入。　　根据英伟达预测，其2025年第二季度营收将达到450亿美元，因此仍是全球最大的半导体公司。存储芯片制造商三星和SK海力士分列二三位。博通排名第四，长期占据榜首的英特尔则跌至第五。　　大多数公司报告称，2025年第二季度的收入较第一季度稳健增长，加权平均增幅为7%。存储器公司增幅最大，SK 海力士增长26%，美光科技增长16%，三星增长11%。非存储器公司中，收入增幅最大的是微芯片科技(11%)、意法半导体(10%)和德州仪器(9.3%)。五家公司的收入较 2025 年第一季度有所下降。　　几乎所有提供业绩指引的公司都预计，2025年第三季度的收入将较第二季度实现健康增长。其中，增幅最大的依然是内存公司，美光公司预计增幅为20%，铠侠公司预计增幅为30%。两家公司均表示，人工智能应用的需求是关键驱动因素。　　意法半导体(STMicroelectronics)预计其营收将增长15%，除汽车市场外，所有终端市场均实现增长。AMD预计在人工智能的推动下，其营收将增长13%。其他六家公司提供的收入增长预期在1.7%至7.7%之间。唯一一家预计营收将下降的公司是联发科，由于移动市场疲软，其2025年第三季度的营收将下降10%。　　人工智能仍然是最大的增长动力。许多公司在其传统市场中看到了增长。一些公司的汽车收入正在增长，而另一些公司则认为汽车行业持续疲软。在与金融分析师的电话会议中，大多数公司都提到了关税和全球贸易方面的不确定性是令人担忧的领域。　　2025年上半年半导体市场的强劲增长几乎保证了全年两位数的增长。最近的预测普遍在14%至16%的窄幅区间内。WSTS根据2025年第二季度的数据，将其6月份的预测从11.2%下调至15.4%。由于全球贸易的不确定性，半导体情报公司(SC IQ)对此持谨慎态度。但基于2025年上半年的强劲表现，我们将2025年的预测从5月份的7%上调至13%。　　由于威胁征收的关税和已实施的关税频繁变化，预测美国关税对全球贸易的影响十分困难。就中国而言，特朗普政府在4月份威胁征收高达145%的关税。5月份，特朗普政府暂停加征关税90天，并将对华关税定为30%。本周，暂停加征关税的期限被延长至11月。　　对半导体直接征收关税的不确定性很高。本月早些时候，特朗普总统宣布美国将对进口半导体征收100%的关税。他表示，承诺在美国生产半导体的公司将不会面临关税。该计划的具体细节尚未公布。　　本月，特朗普政府达成协议，为英伟达和AMD提供出口许可证，允许其向中国出口部分人工智能芯片。两家公司将被要求将销售收入的15%上缴给美国政府。该协议的合法性值得怀疑。美国宪法禁止国会对出口产品征税。《EE Times》称该协议“独一无二”。　　智能手机是已经受到关税影响的一个领域。正如我们在之前的新闻通讯中所指出的，近几个月来，美国的智能手机进口量急剧下降。2025年第二季度，美国智能手机进口量以美元计算下降了58%，进口量以数量计算下降了47%。从中国进口的智能手机数量下降了85%。尽管目前对智能手机进口没有征收关税，但关税威胁已产生重大影响。Canalys 估计，2025年第二季度美国智能手机销量将较2025年第一季度下降约20%。2025年第二季度的许多销量来自现有库存。然而，美国智能手机销量应该会在2025年下半年大幅下降。尽管对美出口下降，但中国智能手机制造业依然强劲，2025年第二季度的产量较2025年第一季度增长了5%。　　当前半导体市场表现强劲。持续的全球贸易争端令人担忧，但迄今为止尚未产生实质性影响。特朗普政府的关税威胁或许会像莎士比亚戏剧《麦克白》中所说的那样，“成为喧嚣与骚动，却毫无意义”。
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