降低IC封装热阻的封装设计方法.doc

降低IC封裝熱阻的封裝設計方法-散熱設計（二）內容標題導覽：前言IC封裝熱傳基本特性散熱性能增強之討論結論隨著IC封裝輕薄短小以及發熱密度不斷提昇的趨勢，散熱問題日益重要，如何降低封裝熱阻以增進散熱效能是封裝設計中很重要的技術。由於構造不同，各種封裝形式的散熱效應及設計方式也不盡相同，本片文中將介紹各種封裝形式，包括導線架(Leadframe)形式、球狀格子陣列形式(BGA)以及覆晶(Flip Chip)形式封裝的散熱增進設計方式及其影響。 前言隨著電子產品的快速發展，對於功能以及縮小體積的需求越來越大，除了桌上型電腦的速度不斷升級，像是筆記型電腦、手機、迷你CD、掌上型電腦等個人化的產品也成為重要的發展趨勢，相對的產品所使用的IC功能也越來越強、運算速度越來越快、體積卻越來越小，如所示。整個演進的趨勢正以驚人的速度推進，而對這種趨勢能造成阻礙的一個主要因素就是熱。熱生成的主要因素是由於IC中百萬個電晶體計算時所產生的功率消耗，這些熱雖然可藉由提昇IC製程能力來降低電壓等方式來減少，但是仍然不能解決發熱密度增加的趨勢，以CPU為例，如所示，發熱瓦數正逐年增加。散熱問題如不解決，會使IC因過熱而影響到產品的可靠性，造成壽命減低甚至損毀的結果。圖1 電子產品及IC尺寸演進圖2 Intel CPU發熱功率趨勢封裝發展的趨勢從早期PCB穿孔的安裝方式到目前以表面黏著的型式，PCB上可以安裝更多更密的IC，使得組裝的密度增高，散熱的問題也更為嚴重。針對於IC封裝層級的散熱問題，最基本的方式就是從元件本身的構造來做散熱增強的設計。而採用多層板的設計等方式，對PCB層級的散熱也有明顯的幫助，而當發熱密度更大時，則需要近一步的系統層級的散熱設計如散熱片或風扇的安裝等，才能解決散熱問題。就成本的角度來看，各層級所需的費用是遞增的，因此IC封裝層級的散熱問題就特別重要了。IC封裝的型式很多，如所示，包括了以導線腳或是以錫球連接於印刷電路板上的方式，以導線腳連接的方式像是TSOP、QFP、LCC等封裝，是由金屬導線架支撐封裝結構，藉著兩面或四邊的接腳和PCB連接。而以球狀格子陣列形式如BGA的封裝方式，是藉由封裝下方的錫球將和PCB連接。以覆晶方式的封裝則是由錫球及底層填充材料（underfill）將晶片以裸晶的方式安裝於基板(substrate)(如Flip Chip BGA (FCBGA)封裝)或直接承載於PCB上(稱為Flip-Chip on board (FCOB) 或 Direct Chip Attach (DCA)。 IC封裝熱傳基本特性評估IC封裝之散熱性能可以下式表示之1,2：其中RJA 稱為由晶片接點到環境之熱阻，TJ為接點溫度，TA為環境溫度，Pd為消耗電力。上述RJA之定義代表晶片的散熱性能，較低的值表示較好的散熱效果。由於接點溫度無法直接得到，因此熱阻值需藉由量測方法以及數值模擬來獲得，量測的方法及裝置目前有JEDEC及SEMI兩種標準【3,4】，對於封裝的尺寸、板的設計、實驗的方式及擺設都有規範，一般實驗時使用的並非是真實的晶片而是尺寸相同的熱晶片，利用晶片中溫度感應器的電壓及溫度關係來模擬實際晶片運作的溫度變化。完整的數值模擬則是利用3D的計算流力軟體，來模擬晶片的實際溫度變化情形【5】。由於熱阻值和環境有關，在使用時需注意和實際情況的差異【6,7】。IC的散熱主要有兩個方向，一個是由封裝上表面傳到空氣中，另一個則是由IC向下傳到PCB板上，再由板傳到空氣中。當IC以自然對流方式傳熱時，向上傳的部分很小，而向下傳到板子則佔了大部分，以導線腳或是以球連接於板上的方式，其詳細的散熱模式不盡相同。以導線腳型式的封裝為例，向下傳的熱又可分成兩部分，一部分是經由導線架及接腳傳到PCB，另一部份則是由晶片經由模塑材料及下方空隙的空氣傳到PCB中，如所示。而BGA的散熱方式則是藉由基板（substrate）及錫球（solder ball）將熱傳到PCB中，如所示，覆晶直接承載則是經由下方錫球及底層填充材料將熱傳到PCB中，如所示。由分析可知在自然對流時，QFP、BGA以及FCOB熱傳向下方PCB的比例分別為85%，88%以及95%。由此可知，當自然對流時，晶片的熱大部分會傳到板上，設法使熱更容易向下傳到板上，是一個散熱設計原則，因此像是在QFP中的導線架，以及BGA中的基板及錫球，都和散熱設計有很大關係。強制對流時，雖然大部分的熱會轉而由封裝上方傳出，降低散熱路徑的熱阻值對於散熱仍有很大的幫助。覆晶由於原本就很容易將熱傳到板上，因此就封裝本身的改善空間有限，需由外加散熱裝置等方式來作改善。圖3 各種封裝型式的散熱路徑由前面的分析可知，由於導線架形式的封裝部分的熱需藉由接腳散去，散熱路徑較長，因此比起熱可直接往下方經由基板傳出的球狀格子陣列封裝的形式散熱要差，而覆晶形式的封裝由於熱較可直接由晶片傳到PCB上，因此散熱效果會最好。以相同封裝面積(foot area)12mm12mm而言，QFP，BGA及Flip chip的熱阻值分別為50/W，36/W 及20/W。 散熱性能增強之討論【8,9】封裝熱阻的改善手段主要可透過結構設計、材料性質改變以及外加散熱增進裝置三種方式。以下將分別就三種封裝形式的散熱設計作詳細討論。1. 導線架型式之封裝使用導線架的封裝型式如TSOP、QFP、PLCC等封裝，雖然腳數及外型不同，但是結構上是類似的，因而散熱改善的方式也有共通性，以下討論元件各種散熱改善方式及效果。對於QFP而言，一般可用腳數或封裝尺寸表示，如100PQFP(100 pin)或是1010PQFP(10mm10mm size)，可用以下的方式增進散熱能力：（1） 採用高熱傳導係數的模塑複合材料。傳統的模塑複合材料的熱傳導性約為0.60.7W/m-，可使用傳導性高的模塑複合材料使傳到導線的熱量增加，而使熱阻值降低。若100 PQFP採用K=3.0 W/m-的材料，而言，約可降低14.5/W，而64PQFP則可降低約15/W。（2） 使用熱傳導性高之導線架。使用導熱性高的銅合金來取代鐵合金Alloy-42，將可使導熱性質改善，此兩種材料和模塑複合材料傳導性對散熱的關係，如所示。圖4 模塑材料及導線架材料傳導性對熱阻之影響（3） 減少導線及支撐墊的間隙。這是花費最少的熱性能增強方式，減少導線及支撐墊之間的距離，可使經前述之散熱路徑散去之熱增加，對於1420之PQFP，熱阻約可降低10/W。（4） 降低IC到PCB的間距。將IC到板之間的間距降低，可降低空氣間隙的熱阻，模擬顯示，若將IC之高度由150降至50m，對1010的PQFP而言，RJA將降低約5/W，而對2828mm的PQFP而言，當距離由240降至100m時，熱阻可降低4/W。（5）熔接的導線。所謂熔接的導線是指導線直接接在晶片墊上，此種方式有助於熱傳，使得熱可直接經由導線傳到板子上。對於64PQFP而言，RJA約可降低17/W，對208PQFP而言，也約可降低9/W，此種方式的缺點是必須避免導線架熱漲冷縮的問題，同時為了和模塑複合材料接合，也需有特殊之設計。（6）加裝散熱片最有效率的散熱方式是在IC中安裝散熱片，其中一種安裝方式是裝入一個厚的散熱片，一面暴露在空氣中，這種QFP又稱為HQFP(Heat-spreader enhanced Quad Flat Pack)【5】，另外一種方式則是在IC中裝入一片薄的散熱片。加裝散熱片的目的是增加熱傳量，因此適當之形狀是很重要的，各種散熱片的型式如所示，一般而言，散熱片設計之準則為增加面積要比增加厚度來得重要，而面積越大，厚度越厚且露於封裝表面和空氣直接接觸的散熱片效果越好，各種散熱片的效果如所示。圖5 各種散熱片安裝方式圖6 各種散熱片安裝方式的散熱效果以下將討論兩種比較特殊的導線接腳型式的散熱效果：所示之LOC（Lead On Chip）型式主要用於TSOP或SOJ等兩面接腳的封裝型式，將導線架延伸至晶片上方，再以雙面膠等黏著材料和晶片連接，好處是打線距離減少，對電性幫助較大，採用此種方式的封裝方式，對TSOP 40而言熱阻約可減少14/W。QLP（Quad Leadless Package）型式是將QFP伸出的接腳除去，由於體積減少，因此可歸納為CSP型式，如所示，比較77mmQFP及77mmQLP，熱阻值約可降低25/W。圖7 LOC的封裝型式圖8 QLP的封裝型式3. BGA之封裝階層熱傳改善之討論【8,9】BGA元件的散熱改善方式有如所示的幾種方法，說明如下：圖9 BGA型式之封裝散熱改善方式(1) 使用散熱錫球（thermal ball）及散熱通道（thermal via）協助散熱增加BGA散熱的最好方式是使用散熱用錫球，散熱用錫球是指直接安裝在晶片正下方基板下的錫球，可以藉著錫球直接將熱傳到PCB上，而減少空氣造成的熱阻。一般為了使散熱到球更迅速，可用散熱通道穿透基板。實驗量測顯示，對於27mmBGA而言，熱阻約可降7/W，如、所示。圖10 不同球數目、基板層數和熱阻值的關係，（1）352lead，2層板 （2）388lead， 2層板，（3）352lead， 4層板，（4）388lead，4層板圖11 球數目（a）352及（b）388之分布關係(2) 接面向下(cavity down)之BGA封裝形式在接合面向下（Cavity down）形式的BGA可以加裝散熱片以幫助散熱，而主要的散熱路徑為IC散熱片（基板）錫球板，使用此種方式的散熱，熱阻將可減少14/W。此外，由於封裝表面可直接放置散熱片(heat sink)，因此熱阻更容易降低。(3) 採用多層的基板就如同PCB一樣，可藉由增加銅含量來減少基板的擴散熱阻，也就是所謂的多層BGA，27mm的多層BGA比起兩層的BGA，其熱阻約可降低5/W ，35mm的多層BGA比起兩層的BGA，其熱阻約可降低7/W。(4) 嵌入式的散熱片（Metal slug）和前述倒線架形式封裝的散熱片安裝方式類似，嵌入方式的散熱片則可用於接合面向上（cavity up）形式的裝置，將晶片直接安裝在嵌入的散熱片上，再藉由錫球裝置於板上，熱阻也約可有14/W的改善。3. 覆晶直接承載IC熱傳改善之討論【10】對於FCOB而言，由於元件傳到PCB的熱阻只佔元件傳到空氣部分的5%以下，因此除非加裝熱擴散片，或從板階層考慮，否則對散熱的改善有限，以下分析各種元件本身的散熱改善方式：(1)增加散熱用球的影響對於88mm的型式而言，下方長滿球和只有周圍長球的型式相比，約減少3.4/W。(2)採用高熱傳導係數的underfill材料。對於88mm形式而言，underfill材料的散熱特性對於散熱而言影響不大，就高傳導性的材料而言，（傳導性2.5W/mK）其熱阻值比起一般的材料（熱阻值0.5W/mK）只增加約1.5/W。(3)加裝熱擴散片最有效率的散熱方式是在覆晶外安裝熱擴散片，以增加散熱面積，並增加熱傳量。對於1212mm的型式而言，加裝50503mm的散熱片，熱阻可由21.3/W減少至11/W。 結論本文中詳細介紹各種封裝形式的散熱改善方式及效果，由文中可知，各種封裝形式由於構造不同，因此散熱增強的方法及效果不同。散熱改善的方式，大致包括了結構、材料及散熱增