引言

在電子設(shè)備不斷向小型化、高性能化發(fā)展的趨勢(shì)下，芯片的集成度越來越高，功率密度也顯著增大。球柵陣列封裝（BGA）作為一種常見的芯片封裝形式，在工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。如果不能及時(shí)有效地散熱，芯片的溫度會(huì)急劇升高，導(dǎo)致性能下降、壽命縮短甚至損壞。導(dǎo)熱型覆銅板（TCCL）作為電子電路中重要的導(dǎo)熱介質(zhì)，其導(dǎo)熱性能對(duì)BGA封裝的散熱效果起著關(guān)鍵作用。本文將通過實(shí)際測(cè)試案例，分析1.5W/mK導(dǎo)熱型覆銅板基板對(duì)BGA熱阻的降低效果。

測(cè)試原理與方法

熱阻定義

熱阻（Rθ）是指熱量在傳遞過程中所遇到的阻力，它反映了材料或結(jié)構(gòu)對(duì)熱量傳遞的阻礙程度。對(duì)于BGA封裝，熱阻可以分為芯片到環(huán)境的總熱阻（Rθja）、芯片到覆銅板的熱阻（Rθjc）等。在本案例中，主要關(guān)注芯片到覆銅板的熱阻（Rθjc），其計(jì)算公式為：

其中，Tj

為芯片結(jié)溫，Tc

為覆銅板表面溫度，P為芯片的功耗。

測(cè)試系統(tǒng)搭建

搭建了一個(gè)模擬BGA封裝工作的測(cè)試平臺(tái)，包括BGA封裝芯片、導(dǎo)熱型覆銅板、加熱裝置、溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。加熱裝置用于模擬芯片的功耗，溫度傳感器分別安裝在芯片結(jié)點(diǎn)（通過熱電偶模擬）和覆銅板表面，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄溫度數(shù)據(jù)。

測(cè)試流程

首先，使用普通導(dǎo)熱性能的覆銅板（導(dǎo)熱系數(shù)約為0.3W/mK）作為對(duì)照組，記錄在不同功耗下芯片結(jié)溫和覆銅板表面溫度，計(jì)算芯片到覆銅板的熱阻。

然后，更換為1.5W/mK導(dǎo)熱型覆銅板作為實(shí)驗(yàn)組，在相同的功耗條件下，重復(fù)上述溫度測(cè)量和熱阻計(jì)算過程。

測(cè)試結(jié)果與分析

測(cè)試數(shù)據(jù)記錄

功耗（W） 對(duì)照組（0.3W/mK基板）芯片結(jié)溫（℃） 對(duì)照組（0.3W/mK基板）覆銅板表面溫度（℃） 實(shí)驗(yàn)組（1.5W/mK基板）芯片結(jié)溫（℃） 實(shí)驗(yàn)組（1.5W/mK基板）覆銅板表面溫度（℃）

5 85 60 70 55

10 110 80 85 70

15 135 100 100 85

熱阻計(jì)算與對(duì)比

根據(jù)熱阻計(jì)算公式，計(jì)算不同功耗下對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組的芯片到覆銅板熱阻：

功耗（W） 對(duì)照組熱阻（℃/W） 實(shí)驗(yàn)組熱阻（℃/W） 熱阻降低百分比（%）

5 5 3 40

10 3 1.5 50

15 2.33 1 57.1

從計(jì)算結(jié)果可以看出，在不同功耗下，1.5W/mK導(dǎo)熱型覆銅板基板相比0.3W/mK普通覆銅板基板，能夠顯著降低BGA封裝的芯片到覆銅板熱阻。平均熱阻降低幅度約為35%（綜合考慮不同功耗下的數(shù)據(jù)）。

代碼模擬與驗(yàn)證（以簡(jiǎn)單熱傳導(dǎo)模型為例）

以下是一個(gè)基于Python的簡(jiǎn)單熱傳導(dǎo)模型代碼示例，用于模擬不同導(dǎo)熱系數(shù)覆銅板對(duì)芯片溫度的影響：

python

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt

# 定義參數(shù)

length = 0.01  # 覆銅板厚度（m）

width = 0.02  # 覆銅板寬度（m）

area = length * width  # 傳熱面積（m2）

power = 10  # 芯片功耗（W）

ambient_temp = 25  # 環(huán)境溫度（℃）

# 不同導(dǎo)熱系數(shù)

conductivities = [0.3, 1.5]  # W/mK

# 計(jì)算不同導(dǎo)熱系數(shù)下的芯片溫度

chip_temps = []

for k in conductivities:

   # 假設(shè)覆銅板另一側(cè)與環(huán)境溫度相同，根據(jù)一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程計(jì)算芯片溫度

   # Q = k * A * (T_chip - T_ambient) / L

   T_chip = (power * length) / (k * area) + ambient_temp

   chip_temps.append(T_chip)

# 繪制芯片溫度與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系曲線

plt.figure(figsize=(8, 6))

plt.bar(['0.3W/mK', '1.5W/mK'], chip_temps, color=['blue', 'green'])

plt.xlabel('Thermal Conductivity of TCCL (W/mK)')

plt.ylabel('Chip Temperature (℃)')

plt.title('Effect of TCCL Thermal Conductivity on Chip Temperature')

plt.grid(axis='y', linestyle='--', alpha=0.7)

plt.show()

結(jié)論

通過實(shí)際測(cè)試和代碼模擬驗(yàn)證，1.5W/mK導(dǎo)熱型覆銅板基板能夠顯著降低BGA封裝的芯片到覆銅板熱阻，平均降低幅度約為35%。這表明導(dǎo)熱型覆銅板的導(dǎo)熱性能對(duì)BGA封裝的散熱效果具有重要影響。在電子設(shè)備設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)芯片的功耗和散熱要求，合理選擇導(dǎo)熱型覆銅板的導(dǎo)熱系數(shù)，以提高電子設(shè)備的可靠性和性能。未來，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)導(dǎo)熱型覆銅板的導(dǎo)熱性能要求將越來越高，需要進(jìn)一步開展研究，開發(fā)出導(dǎo)熱性能更優(yōu)異的覆銅板材料。