记住这三条经验，除了使用散热片外, 你也能搞定芯片散热

在一些芯片应用中，例如稳压器，当器件正在工作时，高发热量是不可避免的。具有裸露焊盘封装是一种耐热增强型标准尺寸IC封装，其优点是除了使用笨重的散热片外，从标准的PCB布局及焊接流程之中也可实现散热的功能。

裸露焊盘一般暴露在封装底部。这在芯片和芯片之间提供了极低的热阻 (θJC)路径。如下图1所示，是其中一种裸露焊盘的设计。

图1，裸露焊盘芯片内部结构示意图

根据经验，部份声称“零件过热”的不良零件个案，最后发现并非线路的设计问题，反而是裸露焊盘焊接方面的不善导致散热不良。

以下有一些小贴士，有助于工程师在PCB布局及焊接层面上也同时能够照顾芯片的散热。

两种定义的焊接方法各有特点，如下图2所示:

图2，“非Solder Mask定义”与“Solder Mask定义”焊接方法的比较（图片来源：http://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND9107-D.PDF）

两种方法各有优点：“Solder Mask定义”下，solder mask会覆盖部份焊盘，以减少零件接触后焊膏被挤压后与旁边焊盘短路风险；“非Solder Mask定义”中开孔较大，焊膏全覆盖PCB焊盘且应力集中程度较低。根据与工程师的分享，在使用“非Solder Mask定义”时会有一定问题，由于他们担心在没有Solder Mask下放了过多的焊膏而造成短路，反而导致焊膏不足，散热不良。使用焊接模板 能协助工程师更有效及精准在PCB焊盘上放上焊膏，市场上也提供多种封装尺寸的焊接模板可选择。

小贴士2：

设计焊盘的大小须符合数据手册上的要求

基本上，工程师要了解PCB焊盘需要符合数据手册上要求的尺寸。但同时，如果PCB板布局容许，设计较大的PCB焊盘表面面积也能够帮助增加芯片的散热性能。图3是其中一个例子，生产商建议增大铜面积，以加强裸露焊盘的散热效益。

图3，铜面积大于裸露焊盘面积的例子（图片来源：http://www.ti.com/lit/an/sloa120/sloa120.pdf）

小贴士3：

善用散热过孔 (Thermal Vias)

从裸露焊盘的焊盘区域到PCB的另一侧添加散热过孔，可以有效地散热。当中的散热过孔应用可设计于PCB散热焊盘内或焊盘外（即是在铜面上，不掏上焊膏）。图4中的例子中生产商建议散热过孔布设在焊盘外。

图4，生产商建议散热过孔布设在焊盘外的例子 (来源：http://www.ti.com/lit/an/sloa120/sloa120.pdf）

溫馨提示

如使用焊盘内散热过孔，焊接的方式也要有相应的配合，以防止焊膏意外流入孔内，阻塞通气，这样就达不到散热效果。工程师可考虑可剥离 (peelable) 或可清洗(washable) solder mask，以保护无零部份焊接区域，包括“外露铜面积”及“焊盘外散热过孔”，在峰波焊接 (wave soldering) 或组装后PCB板涂层工艺过程中，防止过孔被堵塞或过热。

结语

除了外加散热片外，具有裸露焊盘封装的芯片设计可给工程师多一种散热渠道，增加产品设计的灵活性。但需使用适合的焊接技巧方法，否则就无法利用裸露焊盘发挥应有的散热效果。

以下是一些实用的经验总结：

1、留意生产商建议使用“Solder Mask定义”或“非Solder Mask定义”焊接方法。在使用“非Solder Mask定义”时， 工程师可考虑使用焊接模板已便更有效及精准地涂上焊膏;

2、如PCB布局容许，PCB焊盘可比实物面积大。如PCB布局的空间有限，谨记至少要符合数据手册上的焊盘要求;

3、可应用焊盘内或焊盘外散热过孔。使用焊盘内散热过孔，工程师可考虑使用可剥离 (peelable) 或可清洗(washable) solder mask，以保护“外露铜面积”及“焊盘外散热过孔”在波峰焊接(wave soldering) 或组装后PCB板涂层工艺过程中，防止过孔被堵塞或过热。

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华人学者解读：芯片散热难题获重要进展，未来潜力巨大

图片来自V. Navikas

导 读

最近，芯片的话题一直被国人关注，因为它是很多人的一块 “芯痛”。围绕着芯片，其散热问题一直困扰着工业界，本周 Nature 发表了一篇论文较好地解决了这一难题。为此 Nature 邀请了来自斯坦福大学机械工程系华人研究员魏体伟撰文评论。本文为《知识分子》邀请魏体伟对这一技术的中文解读。

2015年，魏体伟加入欧洲微电子研究中心（imec），致力于为高性能系统开发低成本、高效率的电子冷却解决方案，2020年魏体伟获得imec和比利时荷语鲁汶大学博士学位。目前，他的研究兴趣包括用于高热通量应用的冲击射流冷却和嵌入式微通道冷却。

撰文 | 魏体伟

责编 | 叶水送

随着对更强大、更高效和更小的功率电子器件的需求不断增加，器件的功率密度变得越来越高，这对大功率器件的散热提出了更高的挑战。

总体上讲，在数据中心，冷却系统的功耗占电力消耗的很大一部分。因此，探索具有高冷却性能和低泵浦功率的节能冷却设计，可以显著地降低电力消耗和成本。

斯坦福大学机械工程系纳米传热研究组的博士后/研究员魏体伟

当前，用于连接芯片和芯片外接散热器的导热界面材料（TIM）是主要的散热瓶颈。嵌入式微流体沟道冷却器是在半导体衬底背面刻蚀出微流体通道，从而可以避免使用热界面材料。

该微流体冷却通道通常在器件衬底的背面进行沟道的蚀刻，这可以使液体冷却剂更靠近有源器件。但采用直的、平行的微通道进行的嵌入式液体冷却会在沿着通道的方向产生高的压降和较大的温度梯度。与平行微通道散热方案相比，带有歧管微通道散热器的嵌入式液体冷却显示出对泵送功率要求和热阻的大幅降低。

魏体伟在Nature上的评论文章

其实，带有3D歧管散热器冷却器（EMMC）的嵌入式微通道已研究了很多年，但是面临诸多挑战：

从设计的角度来看，如果电热的协同设计会避免出现过冷却度，也就是过多地能量消耗。从制造的角度来看，半导体器件是通过传统的半导体工艺制造的，和微流体散热器的加工是分开的。后续的键合和组装大大地增加了制造的复杂性、成本以及相关的可靠性问题。如人们尝试使用几种键合技术来连接半导体器件和微流体散热装置，这将大大增加制造成本。并且如果键合界面不好，则存在潜在的微流体泄露。

Matioli等人提出的微流体冷却解决方案

洛桑联邦理工学院 Elison Matioli 带领的研究团队提出了一种创新的制造方法，分别考虑了电气设计和微流体冷却解决方案设计：

首先，该制造方法具有潜在的低成本。由于现有的基于歧管的微通道冷却解决方案分别考虑了歧管制造和微通道制造。这种单片集成的微流体冷却器仅需要常规的制造过程就可以完成。简化的制造过程，无需额外的键合工艺，使得该解决方案在经济上变得可行；其次，该方案具有非常高的冷却性能：与现有的歧管微通道散热器相比，这种新的冷却系统可实现更高的冷却效率。其解决方案是消除了热界面材料带来的热阻，使散热微流体通道更靠近芯片热源的下方；第三，这研究成果首次展示高性能单片多歧管微通道散热器和氮化镓器件的单片集成。

Matioli团队设计的方法新颖且奠定了在同一整体结构中集成冷却和电子器件的基础。这种方法是原创和创新的，对于未来的电力电子应用具有巨大的潜力。

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