毕业设计（论文）-微电子器件的热设计

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：
学生姓名：
完成日期：2011年5月31日
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 (22)
微电子器件的热设计
摘要
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
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性的影响，最后设计微电子器件的热设计的主要方法。

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，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。

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Tym 以K为单位。

当ρ=1Ω•cm时,求得硅器件的最高允许结温Tym为330 ℃;当ρ=5Ω•cm时，Tym降至260。

不同的芯片材料（如Si、Ge和GaSa）做成的器件具有不同的本征文度，所以他们的最高允许结温也就不同，例如，锗的本征温度较低，所以它的工作温度范围就比硅器件小的多。

半导体器件的可靠性要求。

器件的绝大多数失效模式均可以被温度所加速，故结温越高，器件的寿命越短。

通常寿命Tmax与结温Ty之间满足阿仑尼乌斯（Arrehnius）方程
㏑tmax=A+B/Ty （2-2）
式中，常数A和B与材料有关，与时间和温度无关。

当结温较高时（如大于50℃），接温每降低40℃~50℃，器件的寿命可提高大约一个数量级。

所以，对于航天和军事领域应用的微电子器件，应该规定更高低的允许结温。

器件封装和引线等材料的高温性能。

如用氧环树脂作封装材料的塑封器件，其最高允许结温将受到树脂材料的高温性能的限制。

在实际情况下，限制器件最高允许结温的大多是可靠性因素，如GaAs功效场效应管的最高允许结温取决于其金属化-半导体之间相互扩散造成的接触退化，VLSI电路的最高允许结温则常常受到其金属化连线电迁移的限制。

微电子器件的最大允许结温一般为：对于硅器件，塑料封装125~150℃，金属封装150~200℃；对于锗器件，70~90℃；对于Ⅲ—Ⅴ族化合物器件，150~175℃。

第二节热阻的定义
微电子器件的散热能力通常用热阻来表征，记为RT。

热阻越大，则散热能力越差。

如同电阻定义为两点间电压与电流之比，热阻定义为两点间温差与热流之比。

双极型器件的发热中心主要在收集结，而MOS器件的发热中心则在漏结附近的沟道处。

当器件芯片面积较大、厚度较薄时，可以假定热量只沿垂直于芯片的截面方向，由芯片有源区向管壳，通过热扩散过程散发。

设在垂直方向存在温度梯度dT/dx，则由一维热传导方程，可得x方向的热流密度
F=-k(dT/dx) （2-3）
式中，k为材料的热导率。

微电子器件常用材料的热导率见表
表2-1 微电子器件主要材料典型热特性值
第三节峰值热阻和瞬态热阻
以上所定义的热阻已假定芯片的结温与空间和时间无关，即已形成了均匀温度场和稳态温度场。

事实撒谎能够，芯片有源区的温度是不均匀的，而且在开馆或脉冲功率驱动下亦随时间而变化。

由此，引入了峰值结温和峰值热阻以及瞬态结温和瞬态热阻的概念。

由于器件芯片具有不一定的几何形状和一定的层次结构，并且是由不同的材料所构成，它的有源区的温度分布一般是不均匀的。

以上定义的结温Ty，只是这个芯片温度场的一个平均值，而这个温度场中的最高结温称之为峰值结温，记为Typ。

对于功率晶体管，峰值结温可能比平均结温高的多。

在这种情况下，如果用平均结温而不是峰值结温来估计由阿伦尼乌斯方程决定的器件寿命，将会引入很大的误差。

这一点值得格外注意。

与峰值结温应，可定义为一个峰值热阻RTP=( Typ-T0)/PC T0为环境温度（2-4）
另一方面,器件受到功率驱动后,其有源区温度场要达到稳态,需要一定的驰豫时间,称之为热时间常数τ。

.当时间t>τ时,芯片温度场达到了热平衡,这时的芯片热阻称之为稳态热阻;当t<τ时,芯片温度场则随时间变化,由于热时间常数τ的存在,自爱器件开关或脉冲工作时,芯片的热阻要随时间变化,这时的芯片热阻不能再用稳态热阻来表征,故用所谓瞬态热阻抗来描述,它定义为单次脉冲功率引起的芯片等效结温的变化与所加功率的比值,通常由热阻和热容两部分组成.
热容CT定义为使物体温度升高一度所需要的热量,可表示为
CT=ρvcP (2-5)
式中, ρ为材料的密度,V为其体积,为比热,单位为W·s/C注意, ρ与V的乘积等于物体的质量,所以热容实际上是物体质量与比热的乘积.
引入热容Cr后可用传输线来模拟瞬态等效热路,如图2.2所示.根据该等效热路,当器件施加功率时,由于热容需要吸收热量,温差△T=Ty-Tu不会立即增大,而是随时间增长呈指数上升.考虑到当t=0时;当△T=0时,当T→∞时，△T=PCRT, RT为稳态热阻,可得
Ty-Tu= PCRT[1-exp(-t/τ)] (2-6)
其中热时间常数τ=RTCT (2-7)
同样,当去除对器件所加功率时,由于热容量需要释放热量,温差不会迅速减少,而是随时间增长呈指数衰减
Ty-Tu= PCRTexp(-t/τ) (2-8)
根据式(2-6)和(2-7),定义瞬态热阻为
RTS=R[[1-exp(-t/τ)] (2-9)
可见,瞬态热阻总是小于稳态热阻,因此,器件脉冲工作时的最大允许功耗总是比直流工作时的最大允许功耗要大.例如,微波功率晶体管在给定允许峰值结温下,在窄脉冲宽度下的峰值输出功率可为连续额定输出功率的几倍.
图2-1给出了瞬态热阻与脉冲宽度和占空间比d（d=tp/tr,tr为脉冲时间间隔）的关系曲线。

可见，当脉冲宽度相同时，占空比越大，瞬态热阻越大，而且d=1时，瞬态热阻值等于稳态热阻值；当占空比相同时，脉冲宽度越大，瞬态热阻就越大,tp足够大时，瞬态热阻趋于稳态热阻。

这里的瞬态热阻定义如下Rfs=(Tpt-Ta)/Pp
式中，Pp为脉冲期间的峰值功率。

微电子器件芯片热阻的测量早期采用的是ΔVBE法，它只能测得整个结面的平均热阻，而且方法本身误差较大，精确性较差、现在多采用红外扫描显微镜或液晶结温测试法，它们能够测出整个结温的温度分布，特别是能够得到对器件可靠性影响甚大的峰值结温，而且测试精度也高。

红外扫描法德空间分辨率达到15~25um。

温度分辨率达到0.1℃;液晶法德空间分辨率可达到5µm。

图2-1 瞬态热阻与脉冲宽度及占空比的关系
第三章热不匹配效应
第一节热应力来源
微电子器件是由各种不同的材料所构成，如硅芯片、氧化硅绝缘膜、铝互连线、金属引线框架和塑料封装外壳等。

这些材料的热膨胀系数各不相同，一旦遇到温度变化，就会在不同材料的交界面间产生压缩或拉伸压力，这就是热不匹配应力，通常称之为热应力。

材料热性质不匹配是产生这种热应力的内因。

由表3.1列出的构成微电子器件主要材料的热性能参数可知，不同材料的热特性可以有很大的差别。

例如，SiO2的热膨胀系数远小于Si的热膨胀系数，在SiO2高温生长或淀积在Si芯片上然后再冷却至室温的过程中，SiO2就会产生伸张应力施加到Si芯片上，当环境温度为T时，这种应力可表示为T
σ(T)= ∫ESiO2{αSiO2-αSi}dT (3-1)
式中，αSiO2和αSi分别为SiO2和Si的热膨胀系数，ESiO2为SiO2的弹性系数，Td为SiO2的制备温度。

显然，SiO2的制备温度越高则热应力越大。

又如，塑封树脂的热膨胀系数远大于Si的热膨胀系数，故树脂对Si芯片表面施加的压缩应力，可表示为
σ（T）=∫Ep(αp-αSi)dT （3-2）
式中，αp和αSi分别为塑封树脂的热膨胀系数和弹性系数，Td为树脂成型温度（一般为170℃~180℃）。

温度变化时产生热应力的外因。

这种温度变化可能来自三个方面：一是器件工作环境温度的变化，如器件在低温地带不连续工作或在环境温度不同的区域之间移动时，很可能遇到冷热悬殊变化的情况；二是器件焊接装配时经受的温度变化；三是器件脉冲工作或间断工作是因功率循环而间歇发热。

例如，微波功率器件在电源接通后结温可达150℃，而停止工作后又恢复到室温25℃左右，结温之差可达125℃。

为了考核器件耐热应力的能力，国家军用标准规定了环境热应力实验和焊接耐热性测试。

环境热应力实验包括温度循环实验和热冲击实验。

这两种实验都是模拟温度交替变化环境对器件机械性能与电气性能的影响，二者并无本质区别，
只是热冲击实验的高低温转换时间比温度循环实验的转换时间短的多，前者不长于30秒，后者可达5分钟，因而热冲击实验比温度循环实验更为严酷。

第二节热应力失效
一、破坏性失效
当热应力大到一定程度之后，会对器件产生破坏作用。

对于塑封器件，封装管壳与引线框架之间的热应力会导致引线封接的断开或管壳出现裂纹，造成密封性失效。

对于大功率器件，耗散功率产生的大量热量需要及时散掉，因此管壳都有一个无氧铜制作的底座作为接触散热用。

由表3-1可知，铜的热膨胀系数为2.7×10-5/℃，而硅的热膨胀系数为4.2×10-6/℃，两者相差很大。

如果将硅管芯直接烧在铜底座上，就会因热不匹配应力导致烧结层出现空洞成裂纹，使器件热阻增大。

钝化膜与硅衬底之间的热应力会导致钝化膜龟裂，失去保护作用。

对芯片造成破坏的机械应力强度约为10㎏/㎜2（伸张应力）或50㎏／㎜2（压缩应力），当由于封装或钝化膜热胀冷缩在芯片上施加应力超过这个限度时，就会导致芯片裂纹，使器件完全失效。

如果施加在芯片上的应力还未达到破坏的程度，由于压电效应，也会导致器件性能的变化。

对于易于吸潮的塑封器件，焊接时滞留在管芯基座上的水分的汽化膨胀，会大大增加管芯与管座之间的热应力强度，更容易造成管壳的裂纹。

在较高的温度下，塑封树脂的弯曲程度变得极其脆弱，焊接温度下的弯曲强度仅是温室下的三分之一到十分之一，如图3-1所示。

如果在封装前器件的保管过程中环境湿度过大，使管芯基座与树脂界面存有水分，则焊接
时的高温会引起水分的激烈汽化，造成管芯基座下水的体积膨胀，对树脂的压力急剧增加。

当这个压力超过树脂的弯曲强度时，就会产生裂纹。

显然，这种裂纹的出现与否与吸湿量喝焊接温度有密切的关系，如图3-1所示
表3-1 微电子器件主要材料典型热特性值
图3-1 管壳裂纹与吸湿量及焊接温度的关系
二、热疲劳失效
功率器件脉冲工作所产生的热循环再具有不同热膨胀系数的材料之间产生
周期性的切向机械应力。

这种应力的反复作用导致了界面处材料的“疲劳”和界面结合的损伤使器件特性劣化，最终造成器件失效。

这就是所谓的热疲劳失效。

三、铝金属化层的再结构
由Al与SiO2或Si的热膨胀系数不匹配所引入的热应力会导致铝金属化层的再结构，在器件经历了热循环或脉冲功率那个一老化后，有时会发现Al膜表面变得十分粗糙，发黑，起皱，或者出现小丘、晶须或空洞。

这种现象就是铝表面的再结构。

由于Al膜的热膨胀系数比Si和SiO2大当芯片加高温时，膜要受到张应力。

这种应力一方面可以加速Al原子的扩散蠕变，从而产生小丘或空洞；另一方面，也可能因为热疲劳时Al表而发生塑性变形而变得粗糙不平。

前者在高温少循环条件下(如合金、烧结、热压等工艺过程中)容易出现，后者则在低温多循环条件下（如脉冲功率条件下长期工作）更为显著。

铝金属化再结构是Al膜薄层电阻加大，铝膜表面温度和电流密度的不均匀性增强，从而加速了电迁移现象的形成和发展，严重时会导致电极开路或极间短路。

四、金铝键合失效
Au-Al键合系统既包括金丝与芯片上铝金属化之间的内键合点，也包括铝丝与封装外壳镀金内接点之间的外键合点。

由于Au、Al两种金属的化学势不同，经高温（200~250℃）储存或长期使用后，它们之间会产生一系列金属间化合物，AuAl2、AuAl、Au2Al、Au5Al2、Au4Al。

这五种金属间化合物的晶格常数、热膨胀系数以及形成过程中的体积变化都是不同的，而且电导率都比较低。

它们呈现的颜色亦有差别，Au5Al2、Au4Al、Au2Al呈浅金黄色，AuAl呈银白色，亦称“白斑”，AuAl2呈紫色。

常称“紫斑”。

“紫斑”是键合工艺中最常见的失效模式。

经历了较高温度或剧烈的温度变化之后，这些金属间化合物极易在界面处产生裂缝，使键合机械强度下降，键合结构变脆。

接触电阻增大，或者时通时断。

同时，Au在Al中的扩散速度很快，在300℃以上的高温下，Au向Al中扩散所形成的中间相，由于Au的大量移出，在界面上造成小空洞，发生所谓“柯肯德尔”（Krikendell）效应
在高温储存时，小孔洞逐渐聚集到裂缝处，使之扩大以至在键合边缘区形成黑色的环形孔，从而导致键合点脱开，造成开路失效。

第四章微电子器件的热设计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，即对于特定耗散功率的器件，它应具有足够大的散热能力。

第一节热匹配设计
热匹配设计的目的是尽可能减少器件内部相连材料之间热膨胀系数的差别，以减少热应力对器件性能与可靠的影响。

一、改善芯片与管座之间的热匹配
对于功率晶体管，为了降低硅芯片与铜底座之间的热膨胀系数差，通常在铜底座上加烧一层约0.4mm厚的铝片或柯伐合金片作为过渡层。

由表2-1可知，铝或柯伐合金材料的热膨胀系数与硅更为接近。

但应注意，铝和柯伐合金的热导率比铜低，过渡层的加入会使管座的热阻增大。

如果芯片需要与底座绝缘时，必须在芯片与铜底座之间加一层导热的绝缘材料，最好使用氧化铍陶瓷。

氧化铍的热导率为 2.26W/cm·℃，与铝的热导率2.04W/cm·℃非常相近，但电阻率却高达1×1012~1016Ω·cm，而且其膨胀系数为4.5×10-6/℃，可与硅很好地匹配。

不过，氧化铍加工时呈现一定的毒性，成本也比较高，在功率不很大时，可用导热性略差但无毒性且工艺较成熟的氧化铝陶瓷代替。

在功率晶体管芯片背面采用多层金属化，不仅是为了实现良好的欧姆接触，也是改善芯片与底座之间热匹配的一个途径，故应作综合考虑。

通常采用的方法是将芯片用Au—Sb合金片烧结在铜底座上。

为了改善热匹配的性能，亦可采用其它合金层，对于pnp 功率管，可采用Al —Ti—Au ；对于npn 功率管，可采用Cr—Cu—Au 或Ni—Au。

二、改善键合引线与芯片之间的热匹配
从改善器件的热特性考虑，键合工艺应采用金丝球焊接而不要采用铝丝超声键合。

金丝的韧性好，与塑封管壳的热膨胀系数接近；金封键合的抗拉强度高、机械性能好，故抗热疲劳能力优于铝丝或硅铝丝。

为了避免金—铝键合点不良接触产生的失效，键合压力、键合时间和键合温度要根据实践经验确定最佳值。

如键合压力过小或键合温度过低，会造成键合点不是双金属间充分的熔合，而是某种粘接，键合压力过大又会导致压点下而形成凹缺陷，同时，还要保证管座镀金层的纯度。

三、改善塑封树脂与硅芯片之间的热匹配
对于塑封器件，封装树脂与硅芯片热不匹配产生的热应力是引起密封性失效的主要原因。

改进途径之一是开发热导率高、热膨胀系数与硅接近的封装树脂，如热可塑性树脂和液晶聚合物等。

改进途径之二是开发热机械强度较小的低应力封装树脂，目标是减少树脂的热膨胀系数和弹性系数，一般采用在环氧树脂中添加直径1μm以下的硅酮和橡胶材料来缓冲应力。

四、改善铝金属化层的再结构
防止铝金属化再结构的措施与提高铝膜抗电迁移的措施是一致的。

通过在铝中掺入1％~2%的硅或铜，形成Al—Si 或Al—Cu合金膜，可以增加膜的降服强度，滞缓金属的流动。

在铝膜上低温积淀SiO2或Si3N4，可以改善铝膜的散热性，降低铝膜温升及温度梯度。

通过提高蒸铝时的衬底温度，加快铝蒸发的速度，以增大晶粒直径，可以改善铝膜的无规则性，降低晶界扩散的比例，增加晶格扩散的比例。

第二节管芯的热设计
典型的功率晶体管管芯温度分布如图4-1所示。

在管芯的中心部分温度最高因为这部分散热条件最差，所以管芯的中心部分容易形成过热点。

输出功率5W 以上的Si和GaAs微波功率管，由于芯片面积大，有源区的长宽比一般大于10，故芯片中心部位的结温可以比边缘部位的温度高出50~100℃。

因此，对于大功
率器件，常将管芯分割成多个单元相并联的形式以有利于散热。

每个单元之间应有一定的间隔，各个单元的布局也要合理，使芯片的温度在各个方向都尽量能够分布均匀。

图4-1 功率晶体管管芯温度分布示意图
提高器件芯片和封装材料的质量和纯度，改善大面积扩散、合金和烧结等工艺的均匀性，是防止芯片中出现不期望的热点的有效途径。

降低器件内热阻的措施有：对器件结构进行热设计，采用良好的烧结工艺、焊接材料及底座材料，以降低芯片与底座间的接触热阻。

正确使用和合理安装散热器，以降低器件的外热阻。

为了加强功率晶体管各个管芯单元之间的热耦合，降低热阻，可在器件有源区上方盖以热沉（如闸流管上的压块）。

这种热沉可用铜块，也可用高热导率的介质膜或陶瓷片。

砷化镓的热导率比硅小的多，故对于GaAs MESFET功率管，应该采用更严格的措施来降低热阻。

常用的方法有减薄芯片、电镀热沉和倒扣装片等，即将高阻GaAs衬底的厚度减薄至100μm以下，并在背面制作电镀热沉（见图4-2），或者将源电极部分镀一层20~30μm的金属，再把芯片倒装在管壳上(见图4-3)。

对于普通封装结构的GaAs MESFET功率管，设计时，应尽可能加大栅与栅之间的间距，有源区的总体几何形状（即大量栅并联后的总图形）以窄长为好。