半導(dǎo)體集成電路的封裝形式從傳統(tǒng)的TO?DIP?SOP?QFP?QFN?PGA?BGA到CSP(芯片級(jí)封裝)再到SOC和SiP(系統(tǒng)級(jí)封裝),IO數(shù)量越來(lái)越多,技術(shù)指標(biāo)也越來(lái)越先進(jìn),隨著摩爾定律越來(lái)越接近物理極限,SiP技術(shù)成為超越摩爾定律的突破點(diǎn)?SiP是指將不同種類的芯片或元件,通過(guò)不同技術(shù),混載于同一封裝之內(nèi),由此在一個(gè)封裝內(nèi)可以構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)或子系統(tǒng)?SiP的優(yōu)勢(shì)不僅在于尺寸方面,而且能在更小的空間里集成更多的功能,并縮短設(shè)計(jì)周期和降低開(kāi)發(fā)成本?在進(jìn)行高密度系統(tǒng)級(jí)封裝產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí),除了要對(duì)封裝的電學(xué)性能和力學(xué)性能進(jìn)行設(shè)計(jì)分析外,熱學(xué)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為高密度系統(tǒng)級(jí)封裝產(chǎn)品設(shè)計(jì)中越來(lái)越重要的環(huán)節(jié)?本文結(jié)合實(shí)際工程,利用專業(yè)的熱仿真設(shè)計(jì)軟件對(duì)一款大功率高密度系統(tǒng)級(jí)封裝產(chǎn)品進(jìn)行熱分析研究,實(shí)現(xiàn)了高效?可靠的大功率高密度SiP產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)?

1布局設(shè)計(jì)

大功率高密度SiP產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)主要由封裝選擇?布局設(shè)計(jì)?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇等部分組成?復(fù)雜SiP產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)需要對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行合理規(guī)劃,并綜合考慮各個(gè)環(huán)節(jié)(包括材料和加工工藝)的合理性,以保證整個(gè)SiP產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)的高效性?可靠性和可制造性?基于產(chǎn)品的IO數(shù)量和布局需求等因素考慮,本文中設(shè)計(jì)的大功率高密度SiP產(chǎn)品封裝尺寸為35.00×35.00×5.50(Max)mm,該產(chǎn)品封裝采用7顆芯片和若干阻容器件,各個(gè)芯片的尺寸?耗散功率及阻容器件的數(shù)量和尺寸等具體信息如表1所示?

綜合考量SiP產(chǎn)品的互連關(guān)系和各個(gè)芯片之間的功耗等因素,對(duì)該SiP產(chǎn)品進(jìn)行芯片和阻容器件的布局,布局示意圖如圖1所示?基于SOPC芯片?電源芯片和收發(fā)器芯片的耗散功率較大,在產(chǎn)品布局時(shí)考量各個(gè)芯片之間的熱耦合因素,在保證基板互連順暢和滿足可制造性工藝的前提下,盡可能拉大耗散功率比較大的芯片與SOPC芯片之間的布局距離?

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于大功率高密度SiP產(chǎn)品散熱角度考慮,本文中所述產(chǎn)品采用FC-CBGA(陶瓷封裝)的封裝形式(引腳數(shù)量1152個(gè)),7顆裸芯片全部采用FC工藝進(jìn)行組裝,并在芯片背面增加金屬蓋增強(qiáng)產(chǎn)品的散熱,該SiP產(chǎn)品的外形示意圖如圖2所示?由于該大功率高密度SiP產(chǎn)品中,裸芯片的最厚尺寸為775μm,遠(yuǎn)小于該產(chǎn)品中0805電容的厚度1.25mm,因此在設(shè)計(jì)散熱蓋板時(shí),為避免蓋板與0805的電容接觸而發(fā)生短路,對(duì)于散熱蓋板部分區(qū)域進(jìn)行挖空處理,使得散熱蓋板既能與耗散功率大的芯片背面進(jìn)行接觸來(lái)增強(qiáng)散熱(存儲(chǔ)芯片由于耗散功率小,且為了簡(jiǎn)化蓋板加工難度,沒(méi)有與散熱蓋板直接接觸),又能同時(shí)避免與電容接觸而造成短路?

3材料選擇

封裝關(guān)鍵原材料由于熱導(dǎo)率等性能參數(shù)不一樣,對(duì)大功率高密度SiP產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)影響較大,表2為本文中所述大功率高密度SiP產(chǎn)品封裝關(guān)鍵原材料及其性能參數(shù)?其中,熱界面材料有三種可供選擇,導(dǎo)熱膠1?導(dǎo)熱膠2和AuSn焊料片,導(dǎo)熱膠1和導(dǎo)熱膠2的熱導(dǎo)率分別為1.92W/mK和4.30W/mK,導(dǎo)熱膠2的熱導(dǎo)率約為導(dǎo)熱膠1的2倍,但其粘結(jié)強(qiáng)度為2.8N/mm2,比導(dǎo)熱膠1的粘結(jié)強(qiáng)度(3.9N/mm2)較差?AuSn焊料由于其優(yōu)異的熱導(dǎo)率和粘結(jié)強(qiáng)度無(wú)疑是熱界面材料的最佳選擇之一,但是采用AuSn焊料不僅需要在芯片背面背金,而且需要較高的工藝組裝溫度(280℃以上),會(huì)使得FC芯片和阻容器件互連處發(fā)生重融現(xiàn)象,容易造成短路?蓋板材料有兩種可供選擇,Al-SiC蓋板和Cu蓋板,Al-SiC蓋板熱導(dǎo)率為180W/mK,比Cu蓋板熱導(dǎo)率(387.60W/mK)低,但其密度小于Cu的五分之一,能增強(qiáng)器件的板級(jí)可靠性?基于產(chǎn)品散熱?成本?可靠性和可制造性等因素綜合考慮,最終確定,熱界面材料選擇導(dǎo)熱膠1,蓋板采用Cu蓋板?

4熱仿真與分析

基于上述幾點(diǎn)分析,對(duì)大功率高密度SiP產(chǎn)品建模,并進(jìn)行仿真分析,該大功率SiP產(chǎn)品的三維模型示意圖如圖3所示?在進(jìn)行熱仿真前針對(duì)該模型設(shè)置各個(gè)芯片的功耗和設(shè)置材料的參數(shù),并對(duì)熱仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞,對(duì)熱仿真結(jié)果的影響較大,該SiP產(chǎn)品對(duì)三維模型部分區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行精細(xì)劃分,使得仿真結(jié)果更加精確,網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示?依據(jù)JEDEC標(biāo)準(zhǔn)之JESD51系列標(biāo)準(zhǔn),對(duì)該SiP產(chǎn)品進(jìn)行熱仿真分析,最大總耗散功率為18.546W,其中SOPC芯片運(yùn)行時(shí)最大耗散功率為15W,電源芯片運(yùn)行時(shí)最大耗散功率為2.326W,收發(fā)器芯片運(yùn)行時(shí)最大耗散功率為1.12W,存儲(chǔ)芯片運(yùn)行時(shí)最大耗散功率為0.1W,環(huán)境溫度為25oC以及相關(guān)材料參數(shù)如表2所示,仿真結(jié)果如圖5和圖6所示,從圖中可以看出,該大功率高密度SiP產(chǎn)品的最大結(jié)溫均在電源芯片上,這主要是由于電源芯片運(yùn)行時(shí)單位面積上的耗散功率大(0.167W/mm2)所造成的,通過(guò)公式(1)和(2)計(jì)算得熱阻RΘJA為7.95oC/W,熱阻RΘJC(Top)為0.57oC/W?

分別對(duì)該大功率高密度SiP產(chǎn)品在不同環(huán)境中進(jìn)行熱仿真分析,仿真結(jié)果如表3和表4所示,其中表3為該大功率高密度SiP產(chǎn)品在25℃的環(huán)境溫度下的熱仿真結(jié)果,表4為該大功率高密度SiP產(chǎn)品在85℃的環(huán)境溫度下的熱仿真結(jié)果?對(duì)比表3和表4可以發(fā)現(xiàn)在SiP產(chǎn)品增加外置散熱措施(加散熱器和風(fēng)扇)后,器件的最大結(jié)溫和熱阻RΘJA都會(huì)隨著外置散熱措施的增強(qiáng)(風(fēng)速?gòu)?/span>1m/s增加到4m/s)而不斷下降?相比自然對(duì)流情況下的RΘJA,增加外置散熱器和4m/s的風(fēng)速的情況下RΘJA由原來(lái)的7.95oC/W下降到2.11oC/W?表3和表4的結(jié)果對(duì)比表明,隨著溫度的改變基本上不影響RΘJA(非自然對(duì)流)和RΘJC(Top)的值,但是溫度從25℃升高到85℃會(huì)使得自然對(duì)流情況下的RΘJA由原來(lái)的7.95oC/W下降到7.12oC/W?這主要是由于自然對(duì)流情況下,空氣的密度?粘度和熱容量隨著溫度的變化而變化較為明顯,并且環(huán)境溫度的升高會(huì)使得器件表面的溫度升高,從而促進(jìn)產(chǎn)品的輻射散熱,所以自然對(duì)流情況下RΘJA的值隨著溫度的升高而有所下降?此外,由于該大功率高密度SiP產(chǎn)品熱仿真結(jié)果為在器件運(yùn)行最大總耗散功率為18.546W時(shí)獲得,在環(huán)境溫度為85℃且增加外置散熱措施的情況下器件最大結(jié)溫還較高(124℃以上)?基于表3和表4的仿真結(jié)果,建議在器件運(yùn)行總耗散功率為最大時(shí),在考慮周?chē)\(yùn)行器件熱耦合的情況下,增加有效的外置散熱措施(加散熱器和風(fēng)扇)并限制器件運(yùn)行時(shí)的環(huán)境溫度?

5結(jié)論

本文中完成了一款封裝形式為FC-CBGA1152的大功率高密度SiP產(chǎn)品的熱學(xué)設(shè)計(jì)?分析了該SiP產(chǎn)品熱學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中,需要綜合考慮的各種因素并進(jìn)行了仿真分析,分析仿真結(jié)果可以得出以下結(jié)論:大功率高密度SiP產(chǎn)品的最大結(jié)溫均在電源芯片上,這主要是由于電源芯片運(yùn)行時(shí)單位面積上的耗散功率大(0.167W/mm2)所造成的;相比自然對(duì)流情況下的RΘJA,增加外置散熱器和風(fēng)扇可以顯著降低熱阻,增強(qiáng)器件的散熱;溫度的改變基本上不影響RΘJA(非自然對(duì)流)和RΘJC(Top)的值,但是溫度從25℃升高到85℃會(huì)使得自然對(duì)流情況下的RΘJA略微降低?由仿真結(jié)果建議用戶在器件運(yùn)行總耗散功率為最大時(shí),在考慮周?chē)\(yùn)行器件熱耦合的情況下,增加有效的外置散熱措施(加散熱器和風(fēng)扇)并限制器件運(yùn)行時(shí)的環(huán)境溫度?

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