FCBGA封装的CPU散热结构设计研究

WordFCBGA封装的CPU散热结构设计研究

散热设计是（芯片封装）设计中非常重要的一环，直接影响（芯片）运行时的温度和可靠性。芯片内部封装材料的尺寸参数和物理特性对芯片散热有较大影响，可以用芯片热阻或结温的高低来衡量其散热性能的好坏。通过数值（模拟）(有限体积法)的方法，对某国产FCBGA封装的（CPU）散热性能进行研究，分析CPU封装内的各层材料尺寸、导热系数及功率密度等因素对CPU温度和热阻的影响。研究结果表明：（TI）M1导热系数在35W/(m·K)以内时，TIM1导热系数和厚度对CPU散热有较大影响；晶圆面积(功率密度)对CPU散热有较大影响，晶圆厚度对CPU散热影响不大。

01引言

随着万物互联、（云计算）和（5G）商用的算力需求日益增长，计算芯片的性能需求也越来越高，而计算性能的提高又引起芯片的功耗迅速增长。图1为某国产CPU平台和（Intel）CPU平台近三代CPU的热设计功耗TDP(ThermalDesignPower)增长趋势图。从图1可以看出，其功耗年增长率接近20%。同时，芯片集成化和小封装的需求也不断增长，这就导致了芯片的功率密度(单位面积的功耗)越来越高，因此芯片散热问题日趋严峻。芯片散热是将芯片晶圆产生的热量传递到外界环境中去,主要通过对流、传导和辐射3种换热形式进行。

图1服务器CPU功耗增长趋势

02

CPU散热方式

对于FCBGA(FlipChipBallGridArray)倒装球栅阵列封装的CPU芯片来说，通常有2个传热路径：一部分热量通过封装底面的焊盘传导至主板上进行散热；另外一部分热量通过封装顶面传导至散热器，再由散热器向外界环境散热。根据FCBGA封装的结构特性和相关研究表明，约90%以上的热量是通过封装顶面传导至散热器进行散热。因此，为提高芯片散热效率，需要尽量减少芯片晶圆到外界环境的散热热阻。如图2所示，为某FCBGA封装的CPU传热结构和传热热阻链路示意图。

图2某FCBGA封装CPU传热路径

根据CPU的传热热阻路径可以得到如式(1)和式(2)所示的热阻和温差计算公式：

Tj-Ta=Q*(Rjc+Rcs+（Rs）a)(1)

Tj-Ta=ΔTjc+ΔTTIM2+ΔTheatsink

(2)

其中，Tj表示芯片结温,单位为℃；Tc(见图2)表示芯片壳温，单位为℃；Ts(见图2)表示散热器基板温度，单位为℃；Ta

表示环境温度，单位为℃；Q表示芯片功耗，单位为W；ΔTjc

表示芯片结壳温差，单位为℃；ΔTTIM2

表示界面材料TIM2的上下表面温差，单位为℃；Theatsink表示散热器基板和空气的温差，单位为℃；Rjc表示芯片结壳热阻，单位为℃/W，主要由封装结构、材料属性决定；Rcs表示接触热阻，单位为℃/W，主要由TIM2的厚度、导热系数及有效传导面积决定；Rsa表示散热器热阻，单位为℃/W，主要由散热器本身属性决定。

由式(1)热阻计算公式可知，当环境温度和芯片功耗一定时，芯片结到外界环境的热阻越低，芯片的结温就越小。而芯片结到环境的热阻由结壳热阻、接触热阻及散热器热阻三者之和组成，其中结壳热阻为芯片内部热阻，接触热阻和散热器热阻为芯片外部热阻。

本文以芯片内部热阻为研究目标，通过芯片级热（仿真）和控制变量法，分析芯片封装结构和材料参数对芯片散热效率的影响，即对芯片结壳热阻或温度的影响。

03

某CPU封装结构及参数定义

本文以某国产CPU为研究对象，分析CPU封装各个部件的结构尺寸和材料参数对芯片散热的影响趋势。图3为该CPU的封装结构图。如图3所示，该CPU封装结构由上往下分别为散热盖(Lid)、界面材料(TIM1)、晶圆(Die)、填底材料(Unde（rf）ill)、粘结胶、基板(Substra（te）)和焊球(Sol-derball)。因为焊球数量有3000余个，如果详细建模会导致总体网格数量和计算量过大，因此通过等效法将焊球归一为各项异性的整体模块，节省计算资源。

图3某CPU封装结构图

图3中，Lid表示CPU封装顶盖，对CPU内部起了一个物理隔离和保护的作用，同时具有一定的散热作用，材质为纯铜，导热系数较高；TIM1表示热界面材料，起到粘结封装盖板和晶圆的作用，同时具有传热效果，能降低晶圆和盖板间的接触热阻；Die表示CPU晶圆，材料为纯硅；Underfill表示填底材料，用于填充晶圆和基板之间的缝隙，是倒装芯片中使用的材料。

表1给出了该芯片封装的结构尺寸和导热系数参数。

表1某CPU封装物理参数

04

研究方法

本文利用数值（模拟技术），建立一个数值风洞，通过模拟CPU在数值风洞中的散热情况，研究CPU封装材料和结构参数对其散热的影响。如图4所示，为仿真软件中构建的数值风洞，CPU通过一种2U翅片散热器进行散热，风洞入口处给以一定风量的入口边界条件，以此计算CPU的温度分布和最大结温，并研究CPU最大结温和各个影响因素之间的关系。

图4数值风洞

05

研究结果及分析

5.1TIM1导热系数对CPU散热的影响

控制其他参数不变，研究TIM1导热系数从1~100(W/(m·K))变化时，CPU最大结温的变化情况。表2为仿真条件。

表2TIM1导热系数的仿真条件

通过一系列的仿真计算，得到CPU最大结温的变化曲线图，如图5所示。

由图5可以看出：

(1)TIM1导热系数低于10W/(m·K)时，导热系数的提升对CPU结温的改善比较显著；

(2)TIM1导热系数超过35W/(m·K)时，CPU结温随导热系数增高而下降的趋势放缓，直到稳定不变；

(3)该型号CPU使用的TIM1材料(Indium)导热系数为86W/(m·K)，处于曲线稳定状态；

(4)由于散热器性能不变,所以CPU壳温基本不受TIM1导热系数影响。

图5CPU壳温、结温、结壳温差与TIM1导热系数的关系曲线

5.2TIM1厚度对CPU散热的影响

研究方法同上。由于在不同TIM1导热系数情况下，CPU结温随TIM1厚度变化的趋势有一定差别，因此本节研究了不同TIM1导热系数情况下，TIM1厚度变化对CPU结温的影响。根据5.1节的计算结果，选取几组典型的TIM1导热系数(5W/(m·K)，10W/(m·K)，20W/(m·K)，35W/(m·K)，86W/(m·K))，TIM1厚度控制在0.15~0.5mm变化，计算不同导热系数情况下，TIM1厚度变化对CPU最大结温的影响。表3为本节的仿真计算条件。

表3TIM1厚度的仿真条件

图6为计算得到的CPU最大结温和TIM1厚度之间的变化曲线，每一组导热系数值对应一条变化曲线。

图6CPU结温与TIM1厚度的关系曲线

从图6可以看出：

(1)TIM1厚度增大时，CPU结温有升高趋势；

(2)TIM1导热系数越小，CPU结温随TIM1厚度增加而升高的趋势越明显；

(3)TIM1导热系数超过35W/(m·K)后，TIM1厚度增加对CPU结温影响较小；

(4)该型号CPU使用的TIM1材料(Indium)导热系数为86W/(m·K)，此时TIM1厚度在150~500um变化，对CPU结温的影响可以忽略不计；

(5)由于散热器性能不变，因此CPU壳温基本不受TIM1厚度和导热系数影响。

5.3晶圆厚度对CPU散热的影响

研究方法同上，控制其他参数不变，研究晶圆厚度在500~1000um变化时，CPU最大结温的变化情况。表4为基本仿真条件。

表4晶圆厚度的仿真条件

图7为计算得到的CPU最大结温和晶圆厚度之间的变化关系曲线。

图7CPU结温、壳温与晶圆厚度的关系曲线

从图7可以看出：

(1)Die的厚度增加；CPU结温随之升高；

(2)Die的厚度从0.5mm增加至1mm；CPU温度升高约3.5℃；

(3)由于散热器性能不变，因此CPU壳温基本不受Die厚度的影响；

(4)总体来看，Die厚度小范围的变化对CPU散热影响较小。

5.4晶圆功率密度对CPU散热的影响

功率密度是指单位面积的功率大小，单位为

W/cm2。本节通过控制CPU总功率不变，改变晶圆的尺寸(面积)，以此改变功率密度，再分别计算不同功率密度下CPU的散热情况。表5为仿真条件。表6为不同功率密度/晶圆面积下，CPU结温、CPU壳温、散热器温度、结壳温差和TIM1接触温差的计算结果。

表5晶圆功率密度仿真条件

表6不同晶圆面积/功率密度下仿真计算结果

图8为晶圆功率密度和温度之间的关系曲线。

图8晶圆功率密度与CPU结温的关系曲线

从图8可以看出：

(1)Die的面积越大，CPU晶圆功率密度越小，CPU结温、壳温、散热器温度越低；

(2)Die的面积越大，CPU结壳温差越小，即CPU结壳热阻越小；

(3)Die的面积越大，CPU外壳到散热器之间的温差越小；

(4)Die的面积(晶圆功率密度)对CPU热阻和接触热阻影响较大，Die的面积增大至40mm*40mm(功率密度为22W/cm2左右)时，CPU结温降低17.6℃，壳温降低13.4℃。

06

结束语

(1)TIM1导热系数低于35W/(m·K)时，导热系数的变化或者厚度变化对CPU散热影响显著；(2)TIM1导热系数超过35W/(m·K)时，导热系数的提高对CPU散热影响较小；(3)CPU晶圆厚度对散热影响较小，晶圆面积对散热影响显著；(4)对于功耗超过200W的CPU芯片，建议使用STIM(金属焊接封装T