JEITA發(fā)布半導(dǎo)體封裝熱特性指南：目的在于加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)
[導(dǎo)讀]日本電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會（JEITA）制定了與半導(dǎo)體產(chǎn)品的熱特性相關(guān)的指南“JEITA EDR-7336”。該指南明確了①封裝半導(dǎo)體產(chǎn)品的印刷線路板的性能、②使用的環(huán)境溫度、③半導(dǎo)體產(chǎn)品的功耗、④風(fēng)速等周圍環(huán)境因素對半導(dǎo)
日本電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會（JEITA）制定了與半導(dǎo)體產(chǎn)品的熱特性相關(guān)的指南“JEITA EDR-7336”。該指南明確了①封裝半導(dǎo)體產(chǎn)品的印刷線路板的性能、②使用的環(huán)境溫度、③半導(dǎo)體產(chǎn)品的功耗、④風(fēng)速等周圍環(huán)境因素對半導(dǎo)體產(chǎn)品的熱阻及熱參數(shù)*的影響程度（圖1）注1）。
*熱參數(shù)＝以2點(diǎn)間的溫度差除以流經(jīng)整個路徑的全部熱流量所得到的數(shù)值。含有分散的成分。
注1）本指南可從JEITA的網(wǎng)站（http://www.jeita.or.jp/japanese/public_standard/）購買。除了解說以及與個人信息相關(guān)的內(nèi)容之外，指南還可在網(wǎng)站上查閱。
指南涉及在設(shè)備內(nèi)部使用半導(dǎo)體產(chǎn)品時的初步熱設(shè)計(jì)。JEITA認(rèn)為，即使是初步設(shè)計(jì)，也有助于缺乏熱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員迅速完成設(shè)計(jì)工作。原因是能夠在熱設(shè)計(jì)初期幫助設(shè)計(jì)人員少鉆“牛角尖”。
背景在于微細(xì)化的影響
JEITA發(fā)表基礎(chǔ)熱特性指南的背景在于，利用90nm以后CMOS工藝制造的半導(dǎo)體產(chǎn)品開始廣泛使用于普通設(shè)備。“130nm以前的話還不算什么問題，但從90nm起泄漏電流等導(dǎo)致的半導(dǎo)體芯片發(fā)熱的問題變得顯著起來”（制定指南的JEITA半導(dǎo)體封裝技術(shù)小委員會集成電路封裝分會）。
圖1：由封裝線路板及周圍環(huán)境引起的熱特性變化
對JEDEC標(biāo)準(zhǔn)（JESD51）未規(guī)定的項(xiàng)目進(jìn)行熱特性模擬后按照影響程度的大小排列。另外，封裝的種類和尺寸，以及芯片的尺寸等也會使影響程度發(fā)生變化。（本圖由《日經(jīng)電子》根據(jù)JEITA的資料制成）
圖2：同一封裝在不同封裝環(huán)境下的熱阻差異
按照J(rèn)EDEC的評測環(huán)境（JEDEC環(huán)境）和實(shí)際設(shè)備中的環(huán)境（客戶的使用環(huán)境）比較了芯片內(nèi)結(jié)溫（TJ）到環(huán)境溫度（TA）的熱阻（θJA）。（本圖由《日經(jīng)電子》根據(jù)JEITA的資料制成）
以前，采用最先進(jìn)半導(dǎo)體工藝的半導(dǎo)體產(chǎn)品，也就是存在半導(dǎo)體芯片發(fā)熱擔(dān)憂的產(chǎn)品，只能配備到有限的設(shè)備上，因此這些設(shè)備一直由富有熱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員來設(shè)計(jì)。不過，存在發(fā)熱問題的半導(dǎo)體芯片成為通用品的話，這些設(shè)備由不熟悉熱設(shè)計(jì)的技術(shù)人員來設(shè)計(jì)的情況就會增加。這樣一來就會有很多設(shè)備設(shè)計(jì)人員不了解印刷線路板的性能等半導(dǎo)體產(chǎn)品的封裝環(huán)境對熱特性帶來的影響，從而向半導(dǎo)體廠商請教的情況日益突出。
隨著設(shè)備設(shè)計(jì)進(jìn)一步深入，還需要咨詢“半導(dǎo)體產(chǎn)品能否放心使用”的問題。對半導(dǎo)體產(chǎn)品的使用情況等進(jìn)行模擬后證實(shí)半導(dǎo)體產(chǎn)品完全不能使用的例子也并不少見。這樣一來就會給設(shè)備廠商帶來重新修改設(shè)計(jì)的麻煩，而半導(dǎo)體廠商則會失去銷售產(chǎn)品的機(jī)會。
彌補(bǔ)JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的不明確部分
即使是不熟悉熱設(shè)計(jì)的設(shè)備設(shè)計(jì)人員，在探討半導(dǎo)體產(chǎn)品能否采用時，也會對半導(dǎo)體廠商的產(chǎn)品性能參數(shù)中的熱特性進(jìn)行確認(rèn)。JEITA在制定此次的指南時，將著眼點(diǎn)放在了這一方面。
對熱特性進(jìn)行實(shí)測及模擬時，半導(dǎo)體業(yè)界大多依據(jù)JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的評測環(huán)境“JESD51”。實(shí)際上，該標(biāo)準(zhǔn)中有部分條件未能明確，各半導(dǎo)體廠商一直都采用自行設(shè)定后公布評測結(jié)果的做法。
在未確定的條件中，印刷線路板各層中的導(dǎo)線分布圖占有率（殘銅率）就是其中一個。導(dǎo)線分布圖是半導(dǎo)體產(chǎn)品封裝面向外散熱的重要途經(jīng)，因此殘銅率直接關(guān)系到散熱效果的好壞。不過，在半導(dǎo)體產(chǎn)品的實(shí)際使用環(huán)境中，殘銅率可謂千差萬別。因此很難將半導(dǎo)體產(chǎn)品指標(biāo)中的熱特性數(shù)值直接用于熱設(shè)計(jì)。此外，評測環(huán)境也因半導(dǎo)體廠商而異，因此要注意對各公司半導(dǎo)體產(chǎn)品的熱阻等進(jìn)行橫向比較和研究。
JEITA此次在指南中納入了此類尚未明確的條件，列明了這些條件對熱阻及熱參數(shù)的影響。在考慮實(shí)際使用環(huán)境后，設(shè)定了殘銅率、環(huán)境溫度，功耗及風(fēng)速等（表1）。其內(nèi)容包括：半導(dǎo)體芯片結(jié)點(diǎn)與周圍環(huán)境間的熱阻（θJA）受印刷線路板殘銅率或風(fēng)速影響發(fā)生10％以上的變化，等等（圖1）。
另外，指南還介紹說，伴隨著配備半導(dǎo)體產(chǎn)品的印刷線路板以及機(jī)殼的尺寸不同，θJA也會發(fā)生大幅變化（圖2）。但同時又指出JEDEC的評測所設(shè)定的形狀及部件配置與實(shí)際的設(shè)備有很大不同，強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品指標(biāo)值只是參考值。
雖然此次只是提醒業(yè)界注意，但JEITA今后還打算不斷擴(kuò)充指南的內(nèi)容，表示將在2011年春季前后準(zhǔn)備發(fā)布能夠?qū)Ψ庋b尺寸及使用環(huán)境所引起的溫度變化進(jìn)行簡單計(jì)算的系統(tǒng)。（記者：大久保 聰）
*熱參數(shù)＝以2點(diǎn)間的溫度差除以流經(jīng)整個路徑的全部熱流量所得到的數(shù)值。含有分散的成分。
注1）本指南可從JEITA的網(wǎng)站（http://www.jeita.or.jp/japanese/public_standard/）購買。除了解說以及與個人信息相關(guān)的內(nèi)容之外，指南還可在網(wǎng)站上查閱。
指南涉及在設(shè)備內(nèi)部使用半導(dǎo)體產(chǎn)品時的初步熱設(shè)計(jì)。JEITA認(rèn)為，即使是初步設(shè)計(jì)，也有助于缺乏熱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員迅速完成設(shè)計(jì)工作。原因是能夠在熱設(shè)計(jì)初期幫助設(shè)計(jì)人員少鉆“牛角尖”。
背景在于微細(xì)化的影響
JEITA發(fā)表基礎(chǔ)熱特性指南的背景在于，利用90nm以后CMOS工藝制造的半導(dǎo)體產(chǎn)品開始廣泛使用于普通設(shè)備。“130nm以前的話還不算什么問題，但從90nm起泄漏電流等導(dǎo)致的半導(dǎo)體芯片發(fā)熱的問題變得顯著起來”（制定指南的JEITA半導(dǎo)體封裝技術(shù)小委員會集成電路封裝分會）。
圖1：由封裝線路板及周圍環(huán)境引起的熱特性變化
對JEDEC標(biāo)準(zhǔn)（JESD51）未規(guī)定的項(xiàng)目進(jìn)行熱特性模擬后按照影響程度的大小排列。另外，封裝的種類和尺寸，以及芯片的尺寸等也會使影響程度發(fā)生變化。（本圖由《日經(jīng)電子》根據(jù)JEITA的資料制成）
圖2：同一封裝在不同封裝環(huán)境下的熱阻差異
按照J(rèn)EDEC的評測環(huán)境（JEDEC環(huán)境）和實(shí)際設(shè)備中的環(huán)境（客戶的使用環(huán)境）比較了芯片內(nèi)結(jié)溫（TJ）到環(huán)境溫度（TA）的熱阻（θJA）。（本圖由《日經(jīng)電子》根據(jù)JEITA的資料制成）
以前，采用最先進(jìn)半導(dǎo)體工藝的半導(dǎo)體產(chǎn)品，也就是存在半導(dǎo)體芯片發(fā)熱擔(dān)憂的產(chǎn)品，只能配備到有限的設(shè)備上，因此這些設(shè)備一直由富有熱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員來設(shè)計(jì)。不過，存在發(fā)熱問題的半導(dǎo)體芯片成為通用品的話，這些設(shè)備由不熟悉熱設(shè)計(jì)的技術(shù)人員來設(shè)計(jì)的情況就會增加。這樣一來就會有很多設(shè)備設(shè)計(jì)人員不了解印刷線路板的性能等半導(dǎo)體產(chǎn)品的封裝環(huán)境對熱特性帶來的影響，從而向半導(dǎo)體廠商請教的情況日益突出。
隨著設(shè)備設(shè)計(jì)進(jìn)一步深入，還需要咨詢“半導(dǎo)體產(chǎn)品能否放心使用”的問題。對半導(dǎo)體產(chǎn)品的使用情況等進(jìn)行模擬后證實(shí)半導(dǎo)體產(chǎn)品完全不能使用的例子也并不少見。這樣一來就會給設(shè)備廠商帶來重新修改設(shè)計(jì)的麻煩，而半導(dǎo)體廠商則會失去銷售產(chǎn)品的機(jī)會。
彌補(bǔ)JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的不明確部分
即使是不熟悉熱設(shè)計(jì)的設(shè)備設(shè)計(jì)人員，在探討半導(dǎo)體產(chǎn)品能否采用時，也會對半導(dǎo)體廠商的產(chǎn)品性能參數(shù)中的熱特性進(jìn)行確認(rèn)。JEITA在制定此次的指南時，將著眼點(diǎn)放在了這一方面。
對熱特性進(jìn)行實(shí)測及模擬時，半導(dǎo)體業(yè)界大多依據(jù)JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的評測環(huán)境“JESD51”。實(shí)際上，該標(biāo)準(zhǔn)中有部分條件未能明確，各半導(dǎo)體廠商一直都采用自行設(shè)定后公布評測結(jié)果的做法。
在未確定的條件中，印刷線路板各層中的導(dǎo)線分布圖占有率（殘銅率）就是其中一個。導(dǎo)線分布圖是半導(dǎo)體產(chǎn)品封裝面向外散熱的重要途經(jīng)，因此殘銅率直接關(guān)系到散熱效果的好壞。不過，在半導(dǎo)體產(chǎn)品的實(shí)際使用環(huán)境中，殘銅率可謂千差萬別。因此很難將半導(dǎo)體產(chǎn)品指標(biāo)中的熱特性數(shù)值直接用于熱設(shè)計(jì)。此外，評測環(huán)境也因半導(dǎo)體廠商而異，因此要注意對各公司半導(dǎo)體產(chǎn)品的熱阻等進(jìn)行橫向比較和研究。
JEITA此次在指南中納入了此類尚未明確的條件，列明了這些條件對熱阻及熱參數(shù)的影響。在考慮實(shí)際使用環(huán)境后，設(shè)定了殘銅率、環(huán)境溫度，功耗及風(fēng)速等（表1）。其內(nèi)容包括：半導(dǎo)體芯片結(jié)點(diǎn)與周圍環(huán)境間的熱阻（θJA）受印刷線路板殘銅率或風(fēng)速影響發(fā)生10％以上的變化，等等（圖1）。
另外，指南還介紹說，伴隨著配備半導(dǎo)體產(chǎn)品的印刷線路板以及機(jī)殼的尺寸不同，θJA也會發(fā)生大幅變化（圖2）。但同時又指出JEDEC的評測所設(shè)定的形狀及部件配置與實(shí)際的設(shè)備有很大不同，強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品指標(biāo)值只是參考值。
雖然此次只是提醒業(yè)界注意，但JEITA今后還打算不斷擴(kuò)充指南的內(nèi)容，表示將在2011年春季前后準(zhǔn)備發(fā)布能夠?qū)Ψ庋b尺寸及使用環(huán)境所引起的溫度變化進(jìn)行簡單計(jì)算的系統(tǒng)。（記者：大久保 聰）
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