新式堆栈封装结构之热传仿真分析
马金汝,杨清旭 热传实验室/集团研发中心 日月光半导体股份有限公司
摘要:目前电子产品随着市场的需求及在先进制程技术相互配合之下，再加上各项3C产品不断强调可携式的便利性和市场需求的普及化，传统的单一芯片封装技术已逐渐无法满足日渐新颖化市场需求，具备轻、薄、短、小的产品特性和增加封装密度及低成本特性之设计制造已经是众所皆知的产品趋势。在轻、薄、短、小的前提下将各种不同功能的集成电路(IC)利用各种不同堆栈的封装方式整合来减少封装体积和封装厚度，是目前各种封装产品开发市场研究的主流，以目前各式各样量产封装产品而言，其中POP (Package on Package)和PIP (Package in Package)的产品就是因应时代趋势所研发的主流新产品，而此类新产品的开发研究更是无论在制程、散热或产品可靠度方面都值得去研究探讨与开发，因此本文将特别针对POP (Package on Package)和PIP (Package in Package)的封装型式和散热特性来加以分析，提供并介绍用模拟方式分析讨论此类型产品的热传特性。
关键词
热传模拟分析(Thermal Simulation Analysis)
堆栈封装(SPBGA)
POP (Package on Package)
PIP (Package in Package)
热阻抗(Thermal Resistance)
有限体积法分析(Finite Volume Analysis)
1.绪论
将各种不同功能的IC (Digital、Memory、Analog，等等…)以各种不同堆栈的封装方式整合以求减少体积之目的是目前的市场需求主流，此封装形式虽然可以达到轻薄短小并提升封装体整体(Package)效能，但是芯片功能检测(known good die)，甚至封装体功能检测(known good package)以及制程技术较高且复杂等问题需要克服。故本文目的在探讨新式堆栈封装结构的热传分析，在合理化的假设范围内提供新式堆栈封装结构的热传仿真分析结果并加以讨论。以PIP (Package in Package)的产品结构来看[图1]是将一个单独且未上锡球的Package藉由一个spacer迭至芯片上，再一起进行封胶的封装制程，而POP (Package on Package)的产品结构来看[图2]则是将两个独立封装完成的Package以制程技术加以堆栈。独立的两个封装体经封装、测试后再以表面黏着方式迭合，可减少制程风险，进而提高产品良率。以此两种封装体来看整体的封装厚度差距甚小，但在制程方面，PIP(Package in Package)结构却较为复杂并且较无法考虑封装体功能检测(known good package)及良率较低等问题，相反的，POP (Package on Package)因为传统的单一封装技术已趋于成熟，只需要将两个Package加以堆栈的制程技术，相较PIP (Package in Package)而言，良率则是相对得提高许多。
[图一] PIP结构
[图二] POP结构
2.有限体积法分析
2.1封装结构热传模型建立
本研究主要应用FLOTHERM有限体积法仿真软件来建立模型以进行数值仿真，印刷电路板（PCB）之尺寸大小与设计条件是依据JEDEC标准[1]，印刷电路板的层数为四层板，尺寸为101.5 x 114.5 x 1.6 mm ，仿真时的环境温度假设为摄氏45度，同时为了简化模型来缩短仿真时间，在此仿真系统中，印刷电路板热传导系数为一等效数值。一般而言，在评估封装散热效果时，则是使用热阻值θja来表示此封装体(Package)的散热能力，θja的定义如下:
θja : junction-to-air 热阻值(°C/W)
Tj : 芯片温度(°C)
Ta : 环境温度(°C)
Power : 输入功率(Watt)
在此除了使用θja来表示封装体(Package)的散热能力外，因为是多芯片的封装型态，则是选择使用Tj来表示仿真前后芯片发热使用时的温度，仿真封装体的各部分尺寸如[表一]所列[2] ，热传导系数的使用与设定则详细列入[表二]中。
[表一]模拟使用之各部尺寸表(ASE 3D Package team 提供)
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PKG |
PIP |
POP |
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PKG Size (下) |
15x15 |
15x15 |
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PKG Size (上) |
12x12 |
15x15 |
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Die Size (A) |
9x9 |
9x9 |
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Die Size (B) |
5x3 |
5x3 |
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Die Size (C) |
10x9 |
10x9 |
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Ball Size |
0.3 |
0.3 |
[表二]仿真系统中，所使用材料的热传导系数值
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材料 |
热传导系数(W/mK) |
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锡球 |
50.6 |
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芯片 |
140 |
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银胶 |
0.3 |
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封胶 |
0.84 |
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铜 |
389 |
[图三] Flotherm的网格切割模型
[图四] PIP结构在仿真软件中所建构之模型
[图五] POP结构在仿真软件中所建构之模型
2.2热传模拟条件设定
利用FLOTHERM有限体积法仿真软件来建立模型并在自然对流和强制对流情况下进行不同条件之模拟分析，在强制对流情况下，风速的设定则是1 m/s和2 m/s两种。一开始将各组芯片给予不同的发热瓦数，比较两种封装型态的封装体的最高温度和位置为何？再将各芯片发热瓦数提高至原来的两倍和三倍，视其结果，最后再将每个芯片独立发热一个瓦数并计算其热阻值，再讨论各芯片之间在自然对流和强制对流情况下的相互影响。
3.热传模拟结果分析与讨论
将封装体中的三种芯片(Die A、Die B、Die C)分别给予0.6W、0.2W、0.2W来进行模拟分析并就其模拟结果加以讨论，仿真结果各芯片温度分布如[表三]所列，以最高的芯片温度位置来看，PIP (Package in Package)和POP (Package on Package)除了结构上的差异，最高芯片温度也发生在不同的芯片上，PIP (Package in Package)最高温的芯片是发生在Die B而POP (Package on Package)最高温的芯片则是在Die C。以PIP (Package in Package)结构而言，因芯片和芯片的位置较密集，所以热传导路径极为接近且芯片和芯片之间的相互影响亦较为显著，所以能量聚集而温度最高的芯片为尺寸最小的Die B，反之以POP (Package on Package)结构而言，由于Die C位置与其它两个芯片中间尚有基板，以一般封装体散热约８０%经由PCB传至空气来看，基板下方之另一封装体是影响Die C热传较为不易的主要因素，导致Die C的温度较高。除此之外，由于PIP (Package in Package)结构芯片堆栈较为密集且在同一封胶体内，内部无热对流的效应，由[表三]可发现在强制对流的情况下，POP (Package on Package)结构散热改善反而比PIP (Package in Package)结构在强制对流的下要为理想。
[表三]散热模拟结果
当封装体内所有芯片的发热瓦数的变成原来的两倍时，如[表三]，无论是PIP (Package in Package)结构还是POP (Package on Package)结构，Die B都是三组芯片中温度最高的，由此可发现当芯片的发热瓦数变高时，芯片的尺寸面积不变的情况下，Die B的发热密度相对的提高，此时芯片的尺寸面积对散热的影响会较基板等等其它因素对Die C的影响要来得显著，造成POP (Package on Package)结构中的Die B在此情况下成为三个芯片中温度较高的芯片，而强制对流对POP (Package on Package)结构散热改善比PIP (Package in Package)结构要为理想，在此处依然可以发现。
[表四]两倍的发热瓦数模拟结果
当封装体内所有芯片的发热瓦数变成原来的三倍时，如[表四]，PIP与POP结构上芯片的温度分布高低趋势大致上和两倍的发热情况一致，值得注意的是无论是自然对流还是强制对流，在此时，POP (Package on Package)结构在散热方面都比PIP (Package in Package)结构要为理想。
[表五] 三倍的发热瓦数模拟结果
若考虑芯片个别发热的情况，由[表六]、[表七]与[表八]则可以很容易的看出每个芯片的温度分布情形和单一晶粒热阻，由表中各个芯片温度所计算对应之热阻来看，PIP (Package in Package)结构的单一晶粒发热衍生散热热阻值会比POP (Package on Package)结构来得稍微低些，但两者的差异其实非常些微，且由于在PIP (Package in Package)结构中，芯片与芯片的相对位置比较密集，所以对散热而言芯片对芯片的影响也会比较显著，此状况会影响到其它没有发热的芯片温度会相对的比较提高。
[表六] PIP结构，三颗芯片独立发热时的温度分布情形
[表七] POP结构，三颗芯片独立发热时的温度分布情形
[表八] PIP和POP结构，芯片独立发热时的热阻
4.结论
电子产品在日新月异、快速进步的时代下，与追求高速度和外型的轻薄短小的条件下，堆栈的封装结构绝对是值得去研究发展的新趋势，经过一些简单的软件仿真分析之后[表三至八]，即可发现基本上在自然对流的状态下，虽然PIP (Package in Package)结构比POP (Package on Package)结构散热较佳，但两者结构的散热能力差异并不大，Die C是三个芯片中差异最大的，但即使Die C是最大的差异也不过才４.２%，但如果在强制对流的状态下，因为PIP (Package in Package)的结构中芯片堆栈较为密集之故，POP (Package on Package)结构却反而比PIP (Package in Package)结构散热较佳，也因为PIP (Package in Package)的结构中芯片堆栈较为密集之影响，在PIP的结构中芯片和芯片之间的相互影响亦更为显著，若再加上POP (Package on Package)结构在制程的成熟度和良率较理想的考虑下，POP (Package on Package)此类的封装结构应有不错的发展潜能，本文目的在探讨新式堆栈封装结构的热传分析并加以讨论，就其结果来提供大家研究和发展的方向，无论是POP (Package on Package)结构还是PIP (Package in Package)结构都具有其研究发展的空间，值得深入详细分析与寻求突破现阶段的制作技术。
参考文献
1. EIA/JEDEC STANDARD are available for download at no charge on organization’s web site (jedec.org)
2. ASE 3D Package Team
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