电子器件与组件结构设计 王华涛 哈尔滨工业大学（威海） 材料科学与工程学院 办公室：A 楼208 Tel：5297952 Email：wanghuatao@hit.edu.cn 留下板书 2012年春

第三章 电气性能的封装设计基础 3.1 概述 3.2 电学基础

3.1 概述 从IC发明的那天开始，铝金属作为导体材料，二氧化硅（SiO2）作为介质材料一直沿用至今。 引入新材料的驱动力在于提高电子产品的高频性能。 例如，采用铜作为导体材料，因为铜的电导率高于铝，这样门延迟得到了降低； 另外，采用低介电常数的介质材料，可以实现更小电容值的加工。 引入铜导线和低介电常数介质材料的优势，还在于可以实现较小的串扰，降低电迁移引起的器件实效，降低工艺加工步骤次数，提高成品率，减少大型设备的使用，从而具有降低加工成本的潜能。 3

3.1 概述 第一个使用铜互连技术加工而成的IC照片 4

3.1 概述 一个基本问题： 电气连接为什么会影响、如何影响电子系统性能的？

电子封装的电气功能 电子封装的功能 涉及的电气功能 以上两种电气功能用一根铜金属线就能实现 是对微电子芯片或部件进行保护，提供电源，进行冷却，并且将微电子部分与外部环境进行电气和机械连接。 涉及的电气功能 提供电源（功率分配） 信号互连 以上两种电气功能用一根铜金属线就能实现

仅仅是一根导线么？ 理想状况 实际情况 举例：集肤效应，体现频率的重要影响 导线是两个电路元件之间零电阻的电气连接，它丝毫不会影响电路性能 在导线有足够的直径、并且低频的情况下，可以满足 实际情况 随着频率的升高和尺寸的减小，导线、引脚、电路板印刷线、配电盘以及其他连接元件，都会有电阻、电容、电感效应，这些情况严重影响系统性能。 举例：集肤效应，体现频率的重要影响

集肤效应（Skin Effect） 在直流时，电流均匀地流过导体。 在交流时，电流集中在导体的近外肤位置上流通，使横切面的核心部位呈现空泛状态，进而使电流输送量减少。 即：电流集中在导体的皮肤部分，称集肤效应，又称趋肤效应。

集肤效应 从与电流方向垂直的横切面来看，导体的中心部分电流强度基本为零，即几乎没有电流流过，只在导体边缘的部分会有电流。 随着与导体表面的距离逐渐增加，导体内的电流密度呈指数递减，即导体内的电流会集中在导体的表面。

集肤效应 在一个理想导体中，电流关系表示为 Js 是导体表面的电流密度 x表示电流与导体表面的距离 δ 是一个和导体的电阻率以及交流电的频率有关的系数，称为集肤深度。 =导体的电阻率 ω = 交流电的角频率 = 2π ×频率 μ = 导体的绝对磁导率 x

集肤效应 产生这种效应的原因 电流变化产生磁场，磁场变化又产生了涡旋电场。 在靠近导线的中心区域，形成的感应电流与原电流方向相反，减弱电流； 在靠近表面处，形成的感应电流与原电流方向相同，增强电流； 这样，电流在中心处减弱，而集中于导线表面处。

集肤效应 如果导体直径远大于集肤深度，则有效电阻可近似为 频率越高，集肤效应越显著 集肤效应使导体的有效电阻增加

减缓集肤效应的方法 采用利兹线（德语：Litzendraht，意为“编织起来的线”） 利兹线采用将多条金属导线相互缠绕的方法，使得电磁场能够比较均匀地分布，这样各导线上的电流分布就会较为平均。使用利兹线后，产生显著集肤效应的频率可以从数千赫兹提高到数兆赫兹。利兹线一般应用在高频交流电的传输中。

铝 2.83 ×10-6 Ω·cm　　 铁 9.78 ×10-6 Ω·cm 减缓集肤效应的方法 高电压大电流的架空电力线路通常使用抗拉强度大钢芯铝绞线，虽然其电阻率大一些，但由于集肤效应，电阻率较大的钢芯上承载极少的电流，并不影响输电性能，又可增大输电线的抗拉强度。

减缓集肤效应的方法 在高频电路中可用空心铜导线代替实心铜导线以节约铜材 在传输的频率在甚高频或微波级别时，一般会使用镀银(已知的除超导体外最好的导体)的导线，因为这时集肤深度如此之小，以至于更厚的银层已经是浪费了。 银 1.65 ×10-6 Ω·cm　　 铝 2.83 ×10-6 Ω·cm　　 铁 9.78 ×10-6 Ω·cm

减缓集肤效应的方法 钢铁工业中利用集肤效应来为钢进行表面淬火，高频交变电流主要通过导体的表面，因此电流主要在其表面产生热效应，使钢材表面的硬度增大，增强耐磨，而内部却有一定柔性。

减缓集肤效应的方法 感应加热表面淬火就是在一个感应线圈中通以一定频率的交流电（有高频，中频，工频三种），使感应圈周围产生频率相同的交变磁场，置于磁场之中的工件就会产生与感应线圈频率相同，方向相反的感应电流，这个电流叫涡流。 由于集肤效应，涡流主要集中在工件的表层。 由涡流所产生的电阻热使工件表层被迅速加热到淬火温度，随即向工件喷水，将工件表层淬硬。 　　

减缓集肤效应的方法 感应电流的频率愈高，集肤效应也愈强烈，故高频感应加热用途最广。高频感应加热常用频率是200~300kHz，其加热速度极快，通常只有几秒种，淬硬层深度一般为0.5~2mm。主要用于要求淬硬层较薄的中，小型零件，如齿轮，轴等。

集肤效应 在铜质导线中，集肤深度和频率的关系大致如下： 频率 δ 60 Hz 8.57 mm 10 kHz 0.66 mm 频率 δ 60 Hz 8.57 mm 10 kHz 0.66 mm 100 kHz 0.21 mm 1 MHz 66 µm 10 MHz 21 µm 1 GHz ?

问题 一根导线的电流分布受频率影响很大，集肤效应 问：如果两个导线邻近，各有电流，是否能相互影响呢？如果能相互影响，频率起什么作用？

邻近效应（Proximity Effect） 相邻导线流过高频电流时，由于磁电作用使电流偏向一边的特性，称为邻近效应。 相邻导线电流方向相同，则电流在相邻的外侧加强； 如果方向相反，则电流在相邻的内侧加强。 （直接引入下页，此处供自学用） 如相邻二导线A，B流过相反电流IA和IB时，B导线在IA产生的磁场作用下，使电流IB在B导线中靠近A导线的表面处流动，而A导线则在IB产生的磁场作用下，使电流IA在A导线中沿靠近B导线的表面处流动。

邻近效应 涡流 导体B 导体A IA IB 因导体A电流变化而产生的磁场 直流电没有磁场，只有交流存在 B导体的电流可知，则A导体的电流变化也可知；如果AB电流相同呢？

模拟 2mm dia Cu conductors, 4mm cntrs, 1 A @20KHz 50 Hz values of 0.0119 Ohm R and 0.667 uH ( /m)

模拟——局部放大 2mm dia Cu conductors, 4mm cntrs, 1 A @20KHz 50 Hz values of 0.0119 Ohm R and 0.667 uH ( /m) 邻近相应＋集肤效应

邻近效应 电流方向的影响： 相邻导线电流方向相同，则电流在相邻的外侧加强； 如果方向相反，则电流在相邻的内侧加强。 频率的影响 ？

邻近效应 邻近效应使有效电阻增加，频率越高该增加的电阻越大 理解 邻近效应影响远比集肤效应影响大。 集肤效应是导线自感的影响 邻近效应是导线间互感的影响 邻近效应影响远比集肤效应影响大。 集肤效应只是将导线的导电面积限制在表面的一小部分，增加了铜损。它没有改变电流的幅值，只是改变了导线表面的电流密度 邻近效应呢？

封装系统的复杂性 集肤效应说明了频率的重大影响 邻近效应表明了导线间的相互影响。 想象一下，高频下（>1GHz），频率对其他因素的影响 邻近效应表明了导线间的相互影响。 实际的电子封装系统非常复杂，在探讨相关的电气设计之前，先要了解一些相关的电学基础。

小结——3.1 概述 电子封装的功能 电子封装的电气功能 电气连接为什么会影响、如何影响电子系统性能的？ 提供电源 信号互连 集肤效应/频率、自感 邻近效应/互感