散热设计（二）降低IC封装热阻的封装设计方法

随着IC封装轻薄短小以及发热密度不断提升的趋势，散热问题日益重要，如何降低封装热阻以增进散热效能是封装设计中很重要的技术。由于构造不同，各种封装形式的散热效应及设计方式也不尽相同，本片文中将介绍各种封装形式，包括导线架(Leadframe)形式、球状格子数组形式(BGA)以及覆晶(Flip Chip)形式封装的散热增进设计方式及其影响。

　  
前言

随着电子产品的快速发展，对于功能以及缩小体积的需求越来越大，除了桌上型计算机的速度不断升级，像是笔记型计算机、手机、迷你CD、掌上型计算机等个人化的产品也成为重要的发展趋势，相对的产品所使用的IC功能也越来越强、运算速度越来越快、体积却越来越小，如<图1>所示。整个演进的趋势正以惊人的速度推进，而对这种趋势能造成阻碍的一个主要因素就是「热」。热生成的主要因素是由于IC中百万个晶体管计算时所产生的功率消耗，这些热虽然可藉由提升IC制程能力来降低电压等方式来减少，但是仍然不能解决发热密度增加的趋势，以CPU为例，如<图2>所示，发热瓦数正逐年增加。散热问题如不解决，会使IC因过热而影响到产品的可靠性，造成寿命减低甚至损毁的结果。



图1 电子产品及IC尺寸演进



图2 Intel CPU发热功率趋势

封装发展的趋势从早期PCB穿孔的安装方式到目前以表面黏着的型式，PCB上可以安装更多更密的IC，使得组装的密度增高，散热的问题也更为严重。针对于IC封装层级的散热问题，最基本的方式就是从组件本身的构造来做散热增强的设计。而采用多层板的设计等方式，对PCB层级的散热也有明显的帮助，而当发热密度更大时，则需要近一步的系统层级的散热设计如散热片或风扇的安装等，才能解决散热问题。就成本的角度来看，各层级所需的费用是递增的，因此IC封装层级的散热问题就特别重要了。

IC封装的型式很多，如<图1>所示，包括了以导线脚或是以锡球连接于印刷电路板上的方式，以导线脚连接的方式像是TSOP、QFP、LCC等封装，是由金属导线架支撑封装结构，借着两面或四边的接脚和PCB连接。而以球状格子数组形式如BGA的封装方式，是藉由封装下方的锡球将和PCB连接。以覆晶方式的封装则是由锡球及底层填充材料（underfill）将芯片以裸晶的方式安装于基板(substrate)(如Flip Chip BGA (FCBGA)封装)或直接承载于PCB上(称为Flip-Chip on board (FCOB) 或 Direct Chip Attach (DCA))。
IC封装热传基本特性

评估IC封装之散热性能可以下式表示之[1,2]：


其中RJA 称为由芯片接点到环境之热阻，TJ为接点温度，TA为环境温度，Pd为消耗电力。上述RJA之定义代表芯片的散热性能，较低的值表示较好的散热效果。由于接点温度无法直接得到，因此热阻值需藉由量测方法以及数值模拟来获得，量测的方法及装置目前有JEDEC及SEMI两种标准【3,4】，对于封装的尺寸、板的设计、实验的方式及摆设都有规范，一般实验时使用的并非是真实的芯片而是尺寸相同的热芯片，利用芯片中温度感应器的电压及温度关系来仿真实际芯片运作的温度变化。完整的数值模拟则是利用3D的计算流力软件，来仿真芯片的实际温度变化情形【5】。由于热阻值和环境有关，在使用时需注意和实际情况的差异【6,7】。

IC的散热主要有两个方向，一个是由封装上表面传到空气中，另一个则是由IC向下传到PCB板上，再由板传到空气中。当IC以自然对流方式传热时，向上传的部分很小，而向下传到板子则占了大部分，以导线脚或是以球连接于板上的方式，其详细的散热模式不尽相同。以导线脚型式的封装为例，向下传的热又可分成两部分，一部分是经由导线架及接脚传到PCB，另一部份则是由芯片经由模塑材料及下方空隙的空气传到PCB中，如<图3（a）>所示。而BGA的散热方式则是藉由基板（substrate）及锡球（solder ball）将热传到PCB中，如<图3（b）>所示，覆晶直接承载则是经由下方锡球及底层填充材料将热传到PCB中，如<图3（c）>所示。由分析可知在自然对流时，QFP、BGA以及FCOB热传向下方PCB的比例分别为85%，88%以及95%。由此可知，当自然对流时，芯片的热大部分会传到板上，设法使热更容易向下传到板上，是一个散热设计原则，因此像是在QFP中的导线架，以及BGA中的基板及锡球，都和散热设计有很大关系。强制对流时，虽然大部分的热会转而由封装上方传出，降低散热路径的热阻值对于散热仍有很大的帮助。覆晶由于原本就很容易将热传到板上，因此就封装本身的改善空间有限，需由外加散热装置等方式来作改善。







图3 各种封装型式的散热路径

由前面的分析可知，由于导线架形式的封装部分的热需藉由接脚散去，散热路径较长，因此比起热可直接往下方经由基板传出的球状格子数组封装的形式散热要差，而覆晶形式的封装由于热较可直接由芯片传到PCB上，因此散热效果会最好。以相同封装面积(foot area)12mm

百年难遇的好资料！

非常有用的东西。谢谢！