電子產(chǎn)品中，信號(hào)的連接有6個(gè)等級(jí)，分別為：

0級(jí)連接：晶圓內(nèi)部門電路之間的連接；

1級(jí)連接：晶圓與封裝外圍電路之間的連接；

2級(jí)連接：元器件與單板之間的連接或元器件與元器件之間的連接；

3級(jí)連接：PCB之間的連接，如裝有多塊單板的背板或主板；

4級(jí)連接：子系統(tǒng)之間的連接，如插箱；

5級(jí)連接：獨(dú)立系統(tǒng)之間的連接，如網(wǎng)線連接。

                           

圖5-12 各級(jí)連接示意圖

芯片封裝熱特性一般只涉及1級(jí)連接和2級(jí)連接（圖5-13），但對(duì)于一些超高功率密度、需要在芯片內(nèi)部實(shí)施微納尺度冷卻通道的芯片還需要考慮0級(jí)連接。

圖5-13 典型PBGA封裝元器件的一級(jí)連接和二級(jí)連接

在分別分析各類常見(jiàn)封裝形式的熱特性之前，我們先對(duì)典型芯片的內(nèi)部組成物質(zhì)（可以參考圖5-13）進(jìn)行定性的熱分析：

1)       芯片結(jié)（或晶圓，die）：硅或砷化鎵材料，芯片內(nèi)部主要發(fā)熱源，導(dǎo)熱系數(shù) ~10²W/m.K；

2)       粘結(jié)劑 （Die Attach）：將die固定到焊盤上的中間介質(zhì)，導(dǎo)熱系數(shù)較低，可以添加高導(dǎo)熱填料（銀）增加導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)電銀漿就是一種常用的粘接劑。粘接劑的導(dǎo)熱系數(shù)~10⁰ W/m.K；

3)       芯片焊盤（Die Pad）：一般是銅材，有熱擴(kuò)展和機(jī)械固定的作用，導(dǎo)熱系數(shù) ~10²W/m.K；

4)       鍵合線（Bond Wire）：金或鋁制，數(shù)目等同于外面管腳數(shù)，信號(hào)傳輸、熱量傳輸，有些封裝形式中芯片沒(méi)有鍵合線（如FC-BGA封裝）。導(dǎo)熱系數(shù) ~10²W/m.K；

5)       基板（Substrate）：類似于小尺寸的單板，有些芯片沒(méi)有基板。與單板類似，基板的導(dǎo)熱系數(shù)是各項(xiàng)異性的，水平方向~10¹W/m.K，厚度方向~10^-1W/m.K（單板的相關(guān)熱特性會(huì)在本章第六節(jié)詳細(xì)闡述）；

6)       引腳（Lead frame）：銅金或鋁制，和內(nèi)部的鍵合線一一對(duì)應(yīng)，信號(hào)傳輸，熱量傳輸，有些芯片沒(méi)有引腳（圖5-13中的PBGA封裝就沒(méi)有引腳，元器件與單板之間的連接通過(guò)焊球?qū)崿F(xiàn)）。導(dǎo)熱系數(shù) ~10²W/m.K；

7)       焊球（Solder ball）：通常材料為錫鉛合金95Pb/5Sn或37Pb/63Sn，有些芯片沒(méi)有焊球（如圖5-9所示的兩種封裝形式，元器件與單板之間的連接通過(guò)引腳實(shí)現(xiàn)）。導(dǎo)熱系數(shù)~10¹ W/m.K；

8)       密封材料（Encapsulant）：有金屬、陶瓷、塑料三種，塑料最為常用，外圍的、保護(hù)晶圓的材質(zhì)，有些芯片(如裸die封裝的芯片)沒(méi)有密封材料。密封材料的導(dǎo)熱系數(shù)和材料類型緊密相關(guān)，塑料封裝導(dǎo)熱系數(shù)~10^-1W/m.K，金屬或陶瓷封裝則可高達(dá)數(shù)十甚至上百W/m.K。

注：上述各個(gè)組成部分的材料參數(shù)參考的是典型元器件中可能出現(xiàn)的物質(zhì)。部分特殊的封裝，材料類型及性質(zhì)可能會(huì)有變化。

建立了芯片各組成部分的導(dǎo)熱系數(shù)量級(jí)概念之后，再來(lái)審視不同封裝形式元器件的熱特性就變得簡(jiǎn)單了。當(dāng)前常見(jiàn)的元器件封裝形式及其熱特性列示如下：

5.1 BGA—Ball Grid Array Package 球柵陣列式封裝

BGA封裝是當(dāng)前高集成度芯片最常用的封裝，幾乎所有高端IC均在使用這一封裝。BGA封裝的最顯著特征是其二級(jí)連接是以圓形或柱狀焊點(diǎn)按陣列形式分布在封裝晶圓下面，并且以二維分布的形式陣列開(kāi)來(lái)。

根據(jù)晶圓外圍封裝材料和基板材質(zhì)的不同，BGA封裝又分為如下三種：

塑料球形封裝（Plastic Ball Grid Array Package，圖5-13）：晶圓外圍包覆材料為塑料，基板為常見(jiàn)FR4基板，由于塑料導(dǎo)熱系數(shù)低，熱阻相對(duì)較高；

陶瓷球形封裝（Ceramic Ball Grid Array Package）：使用陶瓷基板，結(jié)板熱阻相對(duì)較低；

裸die封裝（圖5-14）：晶圓外圍不再包覆材料，而是直接裸露在外，結(jié)殼熱阻極低。

圖5-14 典型裸die封裝各組成部分

BGA封裝與單板之間的連接點(diǎn)是二維的形式，連接面更廣，從熱的角度上講，相當(dāng)于傳熱面積更大，因此結(jié)板熱阻相對(duì)也低。另外，結(jié)到單板上的熱阻可以通過(guò)在基板上施加熱過(guò)孔，在基板底側(cè)正對(duì)芯片結(jié)之處亦可施加銅片來(lái)進(jìn)行降低。裸die封裝的BGA芯片，芯片結(jié)直接暴露在外，最大程度降低了結(jié)殼熱阻。

5.2 TO——Transistor Outline Package晶體管外形封裝

TO封裝是較早期的封裝形式，多用在電源開(kāi)關(guān)芯片。從熱特性角度上分析，TO封裝的元器件有如下特征：

1)       插針接觸單板，插針與芯片結(jié)通過(guò)鍵合線連接，熱量傳遞有限，通過(guò)單板的散熱阻力較大；

2)       芯片結(jié)外層往往包裹塑膠材料，故塑膠側(cè)熱阻較高；

3)       金屬側(cè)熱阻較低，是主要的傳熱路徑；

4)       TO封裝的結(jié)板熱阻非常難定義，或者說(shuō)，其值受工況影響較大。

 

圖5-15 TO封裝元器件示意圖

5.3 QFP---- Quad Flat Pack 四邊扁平封裝

四邊扁平封裝的元器件，其二級(jí)連接是一維分布，即只分布在芯片四邊。四周管腳通過(guò)鍵合線與內(nèi)部晶圓進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)連接，管腳另一側(cè)連接到單板上。

圖5-16 QFP封裝外形示意及典型內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料分布簡(jiǎn)圖

從熱特性角度分析，QFP封裝的元器件有如下特征：

1)       熱阻高，引腳成為傳熱的重要途徑（一般仍<15%） ；

2)       多數(shù)QFP芯片底部不與單板接觸，底部加熱過(guò)孔收效甚微。特殊情況下可以在底部施加界面材料，連通芯片底殼和單板，降低結(jié)板熱阻；

3)       頂部由于大多采用塑料封裝，結(jié)殼熱阻也比較大；

4)       內(nèi)部銅合金焊盤有助于在包覆材料內(nèi)部均熱;

5)       塑料包覆材料導(dǎo)熱系數(shù)，當(dāng)晶圓相對(duì)封裝尺寸較小時(shí)，芯片正頂部溫度較高，金屬散熱片均熱效果好，可能導(dǎo)致熱量回流，致使管腳溫度變高。當(dāng)管腳溫度是芯片熱可靠性控制參數(shù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意熱量的引流方向（如應(yīng)加高而不是加長(zhǎng)、加寬散熱器）。

圖5-17 QFP封裝芯片的熱量回流現(xiàn)象（紅色箭頭表示熱量流動(dòng)路徑）

5.4 QFN/DFN ---- (Quad/DualFlat No-Lead)四邊/雙邊無(wú)引腳扁平封裝

QFN和DFN是由QFP封裝演變而來(lái)。其最大區(qū)別是將四邊管腳收至芯片內(nèi)部，使得芯片封裝體積大大縮減。

 

圖5-18 QFN/DFN和QFP/DFP封裝芯片尺寸對(duì)比（管腳數(shù)相同）

QFN的基本熱特性如下：

1)       QFN中die所占封裝的比例往往很大，故Rjc和Rjb都較??；

2)       主要傳熱路徑：Die à焊盤à裸焊盤 à PCB；

3)       次要傳熱路徑：Lead；

4)       QFN芯片底部一般直觸PCB地層，因此芯片板下添加熱過(guò)孔可以有效加強(qiáng)散熱。

圖5-19 QFN芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其單板之間的連接示意圖

5.5 封裝演變趨勢(shì)和熱設(shè)計(jì)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

體積是目前所有電子設(shè)備面臨的共同需求。所有的產(chǎn)品經(jīng)理都希望在盡可能小的設(shè)備上實(shí)現(xiàn)盡可能強(qiáng)大的功能，這一需求促使著所有相關(guān)的行業(yè)飛速進(jìn)步。元器件的封裝也是如此。在盡可能小的空間內(nèi)擠入更多晶體管，并使用封裝技術(shù)保證芯片的可靠性正變得越來(lái)越難。下圖描述了1980年~2010年件芯片封裝形式的演進(jìn)，可以清楚看到單板和芯片之間的連接正從管腳連接演變?yōu)榫A底部焊球連接，并且人們正不斷嘗試提高晶圓所占比例，90年代就出現(xiàn)了芯片級(jí)封裝（Chip Scale Package，封裝相對(duì)于Die尺寸不大于20%）。從芯片設(shè)計(jì)層面，人們開(kāi)發(fā)出了SOC（System on a Chip），而從封裝技術(shù)角度出發(fā)，人們一直在努力實(shí)現(xiàn)SIP（System in a Package）。對(duì)空間的持續(xù)追求和半導(dǎo)體制程的發(fā)展速度限制還促使人們開(kāi)發(fā)出了3D封裝，及芯片堆疊甚至晶圓級(jí)堆疊。

圖5-20 芯片封裝趨勢(shì)圖

芯片封裝集成度的提升為產(chǎn)品散熱設(shè)計(jì)帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)。雖然架構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以提高芯片的能效比，但晶體管的增多帶來(lái)的發(fā)熱量提升仍然導(dǎo)致元器件平均功耗逐年攀升。另外，由于封裝精度要求不斷提升，芯片對(duì)溫度變化帶來(lái)的力、電效應(yīng)也越來(lái)越敏感。隨著半導(dǎo)體制程瀕臨物理極限，熱科學(xué)可能成為半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)步的核心技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Sergio Lopez-Buedo, Eduardo Boemo. Electronic Packaging Technologies.

[2] Trends in Package Development. http://www.fujitsu.com/downloads/MICRO/fma/pdf/a810000114e.pdf

文章摘自 陳繼良（Leon Chen）.《從零開(kāi)始學(xué)散熱》.第3版. 第五章

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