【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第84页
选 择 散热界 面材料时， 需 要 注 意 BGA 和 散热片 的表面 平 面 度 。 再流焊过 程中的 BGA 封 装 翘 曲 和 散热片 接 触 表面的大公 差 会 导 致 较 大间 隙 ， 这 会 造 成 界 面材料可 靠填充 困 难 ， 从 而会 导 致 导热性 能 变 差 和 ／或散热片 连接 变 弱 。 散热界 面材料( TIM )的 种 类 繁 多 ， 如 下文所述。 6.7.4.1 粘 合 剂 金属填充 环氧 树脂 和 …
必须了解印制板组件要采用的冷却技术以确保
印制板组件的合理设计。对于商业用途，通常
使用直接风冷系统（即：冷却空气与印制板组
件接触）。
对于使用环境较为恶劣的情况，需要使用其它
冷却系统来对印制板组件进行冷却。对于此应
用，组件会被安装至由空气或液体冷却的结构
中，印制板元器件会通过表面热交换，通过热
传导实现冷却
。这些设计必须要在印制板组件
上使用合适的金属散热片。正确的元器件安装
和粘接也是需要的。为了确保设计完善，需要
提供热消散图以帮助分析和为印制板组件进行
散热设计。
电子设备内部散热有三种基本热传递方式的交
互作用：热传导、热对流和热辐射。这些热传
递方式，会且通常会同时作用。因此，任何散
热管理方法应该尝试让它们之间的
自然交互作
用达到最大化。
6.7.1 传导 所有材料或多或少都会发生传导。
通过材料传导的热量与材料的热导率K、传导路
径的横截面积和材料间的温差成正比。热传导
与路径长度和材料厚度成反比（见表6-11）。
6.7.2 辐射 热辐射是通过电磁辐射进行的热
传递，主要是红外线（IR）波长。它是真空隔
离环境物体进行热传递的唯一方法，如宇宙
环
境。
由 辐射进 行 的 热传递是 热 源 物 体表面辐射系
数、其有效表面积和物体间绝对温度四次方之
差的函数。
辐射系数是指由材料向外辐射的能量与在相同
温度下由辐射系数为1的黑体向外所辐射能量的
比值。物体的光学颜色与其是“热黑体”关系
不大。无论是黑色、红色还是蓝色，阳极处理
铝板的辐射系数不会发生改变。
但是，表面处
理是很重要的。无光泽或暗淡表面会比明亮或
有光泽表面更易进行热辐射（见表6-12）。
6.7.3 对流 对流的热传递模式最为复杂。它
涉及到流体的分子运动，通常为空气。
由物体至流体对流引起的热流动速率是物体表
面积、温差、流体速度和流体某些性质的函数。
任何流体和较热表面接触会减小流体密度并导
致其上升，由这种现象引发的循环被称为
“自
由”或“自然”对流。空气流动可以通过这种
方式或某些外在的人工设备引发，比如风扇或
鼓风机。强制对流所进行的热传递可比自发对
流的效率高十倍。
6.7.4 散热界⾯材料 BGA安装散热片是当前对
BGA封装内部硅芯片器件进行冷却的最常见技
术。这些散热片所需要的散热界面材料安放于
散热片和BGA之间，以使热量能从封装上表面
传导至散热片底
表面。
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图6-32 梳状图形⽰例
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选择散热界面材料时，需要注意BGA和散热片
的表面平面度。再流焊过程中的BGA封装翘曲
和散热片接触表面的大公差会导致较大间隙，
这会造成界面材料可靠填充困难，从而会导致
导热性能变差和／或散热片连接变弱。
散热界面材料(TIM)的种类繁多，如下文所述。
6.7.4.1 粘合剂 金属填充环氧树脂和硅粘合剂
最早被广泛用作TIM。它们起着TIM界面材料和
机械连接材料的双重作用
，因为当它们固化后会
完全交叉连接而实现高强度粘结。因此与其它
TIM不同，当使用粘合剂时补充机械连接并无必
要。粘合剂的缺点为BGA焊接到电路板之后需要
热固化，还有散热片和封装之间可能存在的热
膨胀系数不匹配而导致的粘合界面严重分层。
粘合剂的另一个子类为压敏粘合剂（PSAs，该
粘合剂不需要通过固化来产生连接界面，但需
要施加一定
的压力，通常范围为20至30psi。它们
在BGA中的应用因此受到了限制，因为如果控
制不适当，可能反过来会影响到BGA的焊点。
6.7.4.2 硅脂 导热硅脂是一种金属填充聚合物，
它具有粘性液体的固有优势而能适应BGA元器
件和散热片间宏观和微观不规则性表面。与粘
合剂不同它们具有优异的散热性能且不需要固
化。导热硅脂
的主要缺点在于随着时间的推移
它们有从散热片和封装之间流出的趋势。这种
现象被称为“泵出”，是由温度循环期间作用于
粘合界面的机械热应力导致的。
6.7.4.3 相变材料（PCM）相变材料室温时为
固态，但当BGA表面导热时温度升高而转变为液
态。因为它们通常呈薄膜形态且不需要固化，
所以操作和添加比较方便。但它们的热传导性
质比导热硅脂
、粘合剂和其它TIM替代品要差，
故它们只适合在低功率器件上使用。
6.7.4.4 凝胶 凝胶由轻交联的硅聚合物组成，
并填充金属或陶瓷颗粒以实现TIM应有的热导
率。凝胶结合了导热硅脂和固化粘合剂两者的
优点，不会泵出也不需固化作业。凝胶的模量
较低减轻了热机应力而避免连接界面的分层。
它们有较高的体积热导率，已经被应用于BGA
包括
高功率CPU器件的冷却。
表6-11 材料类型对传导的影响
材料
热导率(K)
⽡特/英⼨°C ⽡特/⽶°C
克-卡路⾥/
cm °C • s
静止空气 0.0007 0.0276 0.000066
环氧基树脂 0.005 0.200 0.00047
导热环氧树脂 0.02 0.787 0.0019
铝合金1100 5.63 222 0.530
铝合金3003 4.88 192 0.459
铝合金5052 3.52 139 0.331
铝合金6061 4.36 172 0.410
铝合金6063 4.88 192 0.459
铜 4.93 194 0.464
低碳钢 1.19 46.9 0.112
表6-12 特定材料辐射系数额定值
材料和处理⽅式 辐射系数
铝板 – 抛光 0.040
铝板 – 粗糙 0.055
阳极电镀铝–任何颜色 0.80
黄铜 – 商用 0.040
铜 – 商用 0.030
铜 – 机加工用 0.072
钢–冷轧薄板 0.55
钢–氧化处理的 0.667
镀镍板 – 亚光处理的 0.11
银 0.022
锡 0.043
油漆 – 任何颜色 0.92-0.96
涂漆 – 任何颜色 0.80-0.95
相互靠近的器件、元件等会吸收彼此的辐射能
量。如果热辐射是热传递的主要方式，元器件
相互之间的“热”点必须要隔开。
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6.7.4.5 导热压敏带 导热压敏带偶尔可以用来
提供BGA散热所必要的热导率。这种散热界面
材料已逐渐得到广泛使用，因为操作方便只要
将其粘贴在需冷却的BGA器件表面即可。
6.7.5 BGA散热⽚连接⽅法 有若干种散热片
连接至BGA方法，具体说明可见下面插图。图
6-33展示了用导热胶连接BGA封装顶部的散热
片。这种粘合剂可同时起到热传导媒介和机械
连接媒介的作用。但是如同上文所提到的，这
种
技术需要焊接后的热固化以实现粘合剂交叉
连接和硬化的目的。
图6-34说明了通过 卡钩固 定 在 BGA基板并与
BGA封装顶部相连的散热片。但在安装卡钩时对
焊点有造成损伤的风险。这种方法的散热界面
材料采用的是导热硅脂或PCM或凝胶，即不需
要在散热片和BGA封装顶部之间提供较强的机
械连接。这种方法有一个缺点即散热片的重量
由
封装所承担，在机械冲击和振动过程中，BGA
焊球需要经受住散热片附加质量所产生的机械
应力。
图6-35展示了通过卡钩固定在印制电路板孔内并
与BGA进行连接的散热片。这些小孔不需要电
镀处理。与前面的情况不同，当卡钩作用时印
制电路板会支撑散热片的重量，但在机械冲击
和振动过程中依然会有一些应力传递到BGA焊
球上。另外，当组件垂直放置时散热片会对焊
点产生悬臂荷载，此荷载会使焊点失效早期发
生。
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图6-33 使⽤粘合剂将散热⽚与BGA连接
BGA
粘合剂
基板
散热片
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图6-34 ⽤勾住BGA器件基板的卡钩，将散热⽚与BGA连接
油脂/凝胶/
相变材料（PCM）
基板
卡钩
BGA
散热片
IPC-7095c-6-35-cn
图6-35 ⽤勾住印制板通孔的卡钩，将散热⽚与BGA连接
基板
卡钩
油脂/凝胶/相
变材料（PCM）
BGA
散热片
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