毕业论文--微电子器件的热设计

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1、上海新侨职业技术学院毕业综合训练（报告、设计说明书）专业班级：微电J081课题名称：微电子器件的热设计指导教师：王大永学生姓名：陈立完成日期：2011年5月31日上海新侨职业技术学院毕业综合训练目录摘要1前言2第一章热效应引起的失效3第一节高温引起的失效3第二节温度剧烈变化引起的失效3第二章热阻4第一节最高允许结温4第二节热阻的定义5第三节峰值热阻和瞬态热阻6第三章热不匹配效应9第一节热应力来源9第二节热应力失效10第四章微电子器件的热设计14第一节热匹配设计14第二节管芯的热设计15第三节管壳的热设计17结束语20致谢21参考文献2222上海新侨职业技术学院毕业综合训练微电子器件的热设计摘

2、要随着半导体器件的发展，已经步入纳米级，线宽尺寸的减小意味着所需外部条件的苛刻，微电子器件的热设计也就越显的尤为突出重要。微电子器件热设计的目的是为了防止器件出现过热或温度交变诱生失效,可分为管芯热设计、封装键合的热设计和管壳的热设计。管芯热设计主要是通过版图的合理布局，使得芯片表面温度尽可能均匀分布，以防止出现局部过热点。封装键合的热设计主要通过合理选择封装、键合和烧结材料，尽可能降低材料的热阻以及材料之间的热不匹配性，防止出现过大的热应力。管壳的热设计主要应考虑降低热阻，既对于特定耗散功率的器件，它应具有足够大的散热能力。关键词：微电子；热阻；失效；热设计22上海新侨职业技术学院毕业综合

3、训练前言微细化和高密度化是微电子器件的发展方向。虽然器件管芯尺寸的缩小，使得芯片上每个单管的功耗减少，但是由于集成度的提高和封装管壳的小型化，整个芯片的功率密度却比以前要大得多。因此，由热效应引起的可靠性问题会变得更加突出。所谓微电子器件“热设计”的目的，就是要消除或削弱热效应对器件性能和可靠性的影响，这可通过两个方面的途径来实现：一是在器件的结构设计与材料选择上，通过降低热阻和热不匹配性，来提高器件的散热能力和抗温度循环能力；二是在器件应用过程中，尽量避免引入高温应力和温度交变应力。下面将注重介绍两个主要参数，最高允许结温和热阻，然后分别分析了结温效应和热不匹配效应对微电子器件的影响和可靠

4、性的影响，最后设计微电子器件的热设计的主要方法。22上海新侨职业技术学院毕业综合训练第一章热效应引起的失效微电子器件应用时所受到的热应力可以来自器件的内部，也可以来自器件的外部。微电子器件工作时所消耗的功率要通过发热的形式耗散出去。如果器件的散热能力有限，则功率的工作环境温度过高或是由子在高寒地带不连续工作等原因引起温度交替变化，也会在管壳内部产生高温应力或温度循环应力，另外器件焊接装配时也会引入温度急剧变化所产生的应力第一节高温引起的失效温度的上升轻则使器件的电参数发生漂移变化,如双极型器件的反向漏电流和电流增益上升,MOS器件的跨导下降，重则可加速器件内部的物理化学过程，激活某些潜在缺陷

5、，缩短器件的寿命或使器件即时烧毁。例如：高温会使铝金属化的晶粒长大，加速铝的电赶移，引起铝条开路或短路；高温会促使铝一硅互熔加快，可造成强pn结短路，导致二次击穿的热电正反馈效应，是引起双极型器件体内失效的主要原因。第二节温度剧烈变化引起的失效温度巨变引起的热膨胀系数的材料之间形成不同的热不匹配应力，会造成芯片与管腿之间的键合失效，管壳的密封性失效以及器件中的某些材料的热疲劣化等。22上海新侨职业技术学院毕业综合训练第二章热阻第一节最高允许结温微电子器件工作所消耗的功率要转化为热量，从而使器件的结温上升，为叙述简便起见，这里将器件的有源区称为“结”，而将器件的有源区温度称为“结温”，这样的器

6、件有源区可以是结型器件的pn结区，场效应器件的沟道区或肖特基器件的接触势垒区，也可以是集成电路的扩散电阻或薄膜电阻，当结温Ty高于势垒电阻Ta时，热量就靠温差形成的扩散热流，由芯片通过管壳向外扩散，散发出的热量随着温差(Ty——Ta)增大而增加，当结温上升到耗散功率能全部变成散发的热量时，结温不再上升，器件处于热动态平衡当中，平衡时结温的大小取决于耗散功率和器件的散热能力，耗散功率越大或者器件的散热能力越差，则结温就越高，为了保证器件能够长期的正常可靠地工作，必须规定一个最高允许结温，记为Tym。Tym的大小根据器件的芯片材料，封装材料，和可靠性要求决定的，与以下三个因素有关：半导体芯片材料

7、达到本征状态时的温度，当器件的结温升至使器件有源区的本征半导体的浓度达到接近其杂志浓度时（此时的温度称为本征温度），材料由杂质导电转变为本征导电，器件功能就完全丧失显然。由材料限制的最高结温与材料的参杂浓度或电阻率有关，参杂浓度越高或者电阻率越低，则最高结温越高。对于硅器件。可由下列经验公式计算Tym=6400/（10.45+㏑ρ）(2-1)失中，ρ为材料的电阻率。当ρ以Ω•cm为单位时，由式（2.1）求出的