高性能、低成本的芯片级封装热特性

高性能、低成本的芯片级封装热特性JamesC.C.Lee,KeiG.D.LuoMeicerSemiconductor,INC.,No.1,DingAnRd.,320JungLiIndustrialPark,JungLiCity,TAIWAN,R.O.C.Tel:[phone]ext.6007/Fax:[e-mail]摘要当今电子产品发展的趋势是在性能更可靠，功能强大，成本更低廉的要求下，达到更轻，更小，更薄和运行更快的要求。众所周知，Tessera的BGA是唯一通过JEDEC1级认证的CSP封装，JEDEC1级认证主要适用于存储器总线，DDR和闪存产品。在封装芯片内部增加一片金属层可以提升芯片的接地保护和尺寸稳定性。因此，在应用新的衬底时，我们不得不讨论其热性能。电子封装的一个主要功能就是散掉IC芯片产生的热量。因此，电子封装最重要的特性之一就是其散热的能力，从而确保其良好的工作和可靠性。μBGA封装体现了最先进的装配过程和设计，从而成为现在和将来高性价比的封装。Meicerd的μBGA封装是一种芯片级封装。Meicer的μBGA系列封装对于手机，无线电，便携式电脑和影碟机都是理想的解决方案，因为这些设备都具有便携，小尺寸和高性能的要求。通过计算机仿真比较四种不同种类的芯片级封装的μBGA结构。在自然对流和强迫对流（V=1m/s，2m/s,3m/s）条件下，我们研究了μBGA封装芯片的内电路和外电路两种结构类型，并且比较了μBGA具有一层和两层金属层的热性能，这个μBGA被安装在PCB板上。此外，本文的研究工作也详细的揭示了不同Die尺寸和μBGA封装芯片焊锡球数目对于热性能的影响。不同环境温度对于封叠封装芯片热性能的影响也被考虑。多芯片和堆叠封装的μBGA热性能也得到研究，并且将其与单芯片封装进行对比。在之后的工作中，我将更详细地研究芯片安装在RIMM上的热性能，并且将其与实验数据进行对比。关键字：热阻，CSP，μBGA，TAB层，多芯片封装，堆叠封装介绍由Tessera研发的μBGA封装是一种具有柔性衬底的CSP。在芯片和衬底有一层弹性体。μBGA封装的主要应用是内存条，特别是一些DRAM和闪存的应用。为了获得更好的电气和热性能，我们在聚醯亚胺衬底的另外一面插入了一片特殊的金属层，这一片金属层作为接地平面。如图1所示，当增加了这么一片金属接地平面之后，BGA的电性能得到了明显地提升。多芯片和堆叠封装被研发，以获得更轻，更小和更快的封装芯片。在当前的研究中，多芯片由不同数量的芯片（1~3），焊锡球数目（48，44，53）和封装尺寸（8x6，12x8，24x6mm）构成。堆叠封装多应用于SDRAM（die尺寸：11x8.8mm）和Flash(die尺寸：7.3x5.2mm)。图1封装芯片电性能比较封装芯片结构采用数值仿真的方法对尺寸为11.5x9.3mm的μBGATV62封装芯片的热性能进行分析。使用标准常规的11x8.8mm向下Die建立一个简化模型。在自然对流和强迫对流条件下，使用有限体积法进行计算Rja，其中影响芯片热性能的因素有金属层，结构层，焊锡球数目，Die尺寸和环境温度。建立的简化模型描述了以下各个部分，Die，弹性体，铜箔，硬铜金属层，胺膠帶，焊锡球和测试板。测试板的尺寸依据EIA/JEDEC的标准“TestBoardforAreaArraySurfaceMountPackagesThermalMeasurements”。μBGA封装μBGA封装的柔性衬底是具有铜箔的聚酰亚胺薄膜。在芯片和衬底之间有一层硅弹性体。位于芯片和聚酰亚胺薄膜被用于减少热应力。图2显示了其基本的封装结构。图2μBGA结构在本文的研究中，讨论了几种不同的封装结构。原始的封装结构是一层金属TAB层的内电路和外电路结构，第二种封装结构是两层金属层内电路和外电路结构，以及多芯片和堆叠封装。所有的这些结构都在后文中以图片形式显示。原始的一个金属层TABTape封装μBGA封装有两种结构类型：内电路和外电路。图3显示了内电路结构类型。铜箔走线在聚酰亚胺膜的下方，并且更接近Die。图4显示了外电路结构类型，铜箔走线在聚酰亚胺膜的上方，并且更接近焊锡球。图3一层金属层内电路结构图4一层金属层外电路结构两层金属Tape层封装类型为了获得更好的电气和热性能，我们在聚酰亚胺膜的另一侧插入了一片金属层。由此，聚酰亚胺膜的两侧均为金属。一侧的金属用作接地，而另外一侧的金属为信号层。由此也有内电路和外电路两种封装类型，参见图5和图6。对了便于进行分析，表1是简化的封装尺寸：图5两层金属层内电路结构图6两层金属层外电路结构表1单个μBGA封装的结构多芯片的μBGA封装具有同样的Die尺寸，但是μBGA的封装尺寸仅仅是TSOP的25%，MiniBGA的60%。非常明显，PCB板上的μBGA数目是MiniBGA的两倍，是TSOP的四倍。如图7所示，μBGA封装在空间利用上具有很大的优势。图7不同封装类型尺寸对比μBGA多芯片封装的研发是为了获取最大的空间利用率。图8和表格2描述了多芯片封装的结构。图8多芯片的μBGA封装为了获得更多的空间利用率，多芯片μBGA芯片封装得到不断研发，并且与单芯片μBGA封装芯片进行比较。从图9中，我们可以看到单位面积上多芯片封装的芯片数目要多于单芯片封装的数目。表2多芯片μBGA封装的结构图9安装在PCB板上的多芯片μBGA堆叠BGA封装诸如闪存和SRAM等移动电话中常用的内存芯片是基于国际标准的通用元件。然而，移动电话的轻巧化趋势要求闪存和SRAM同样更为小巧。Meicer的堆叠封装芯片具有大约100个I/O，0.8的节距，0.71mm高度，11.5x9.3的尺寸。仿真方法基于计算流动力学软件，我们提出了一种μBGA封装芯片的热模型。在这个分析中，假设封装芯片被安装在FR4的PCB板上。测试板的尺寸为114.5x101.5mm(JEDEC标准)，并且板子厚度为1.6mm（4层铜）。封装芯片的热性能采用数值仿真软件Flotherm进行分析，Flotherm是一款基于有限体积法的CFD软件。自然对流和强迫对流条件下，封装结点至空气的热阻Rja得到计算。材料特性封装模型位于开放区域的求解域中心，这个求解域的尺寸为1ftx1ftx1ft。并且对以下几个表面考虑辐射换热的影响，Die顶面，弹性体，焊接掩模的上表面，焊锡球和测试板。考虑热导率随温度的变化，硅的热导率根据Blackburn和Hefner的研究结果。可以通过下式进行计算：其它材料的热导率采用下表中的数值表3材料热导率仿真结果和讨论几个μBGA的简化模型被创建并且进行热仿真。它们的结点至空气的热阻Rja通过数值分析得到计算，并且结果如下图所示。自然对流-功率增加产生的影响在自然对流条件下，Rja随着芯片功率的增加而减少。这个现象是由于芯片功耗变大，其表面温度更高，促使芯片周围的空气流动更快，并且增加了芯片与周围环境的辐射换热量。在当前的功率范围内，我们可以看到随着功率增加，热阻呈单调递减。这个现象主要是由于h和T之间的关系：h=(△T)nh:对流换热系数（W/m2K）△T：温差n:层流1/4n:湍流1/3强迫对流-增加空气流速的影响在强迫对流条件下,Rja随着空气流速的增加呈单调递减。当芯片功耗为3W时，当空气流速由0增加到600LFPM，Rja大约减少了30%。一个金属层结构的比较有内电路和外电路两种μBGA封装的结构类型，它们具有不同的生产方法。外电路μBGA的引脚长度要比内电路结构要长。此外，内电路结构中Die表面有一些热过孔，但外电路结构中没有。因此，外电路结构的热阻更大。结构类型对于热阻的影响如图11所示，我们可以清楚的看到，内电路结构的热阻要比外电路结构热阻少10%。图11一层金属层的热阻外部金属层和堆叠封装的影响如图1所示，出于提升封装芯片电性能的考虑，我们尝试增加一个起接地作用的金属层，而这个接地层可以看做是一个小型的散热器。正如我们之前所提到的，热量会积聚到金属层，之后再进入到空气中。这也就是为什么两层金属层的结构散热要比单层金属层的结构要好。由于堆叠封装高空间利用率的原因，堆叠封装的Die厚度要比通常单芯片封装的厚度要薄。这也会增加散热的难度。图12显示了这三种结构的热阻差异，并且图13中显示了各个散热路径上的散热量。我们可以看到无论自然对流还是强迫对流，对于μBGA封装芯片而言焊锡球总是最重要的散热路径。图12两层金属层结构的热阻图13散热路径上热量百分比焊锡球数目，Die尺寸和环境温度的影响图14表明，焊锡球越多，相应地热阻会更低。这主要是因为焊锡球越多，进入PCB板的热损耗越均匀，从而减少了局部的温度梯度。图14焊锡球数目的影响图15表明，越小的Die尺寸，更高的热阻。这主要是因为更小的Die尺寸，会引起散热面积更小。图16表明，更高的环境温度，更低的热阻值，在强迫对流情况中更加明显。这是因为封装芯片被应用在高温环境中，结温和环境之间的温差变得更小。图15Die尺寸的影响图16环境温度的影响多芯片封装的芯片数目的影响出于空间利用率的考虑，我们研究了几种不同类型的多芯片封装。在图17中，无论是在自然对流还是强迫对流环境中，三个芯片封装的多芯片封装要比单芯片封装低20%的热阻。我们看到Die的面积越大，封装芯片的结温越低。这也意味着封装芯片可以承受更高的功率等级。其主要原因是一样的热损失情况下，封装芯片的尺寸越大，其散热面积也越大，从而热阻值也较低。图17多芯片封装的热阻结论本文讨论了常见TAB层类型，双金属TAB层，堆叠和多芯片μBGA的热性能。并且对芯片热性能的影响因素进行分类。无论是一层或两层结构，内电路封装芯片的热阻总是最好，这是由于热量直接通过热过孔进行传递。小型化的堆叠封装可以是Die的厚度更薄，从而得到更高的芯片封装热性能。因此，我们建议。增加空间利用率和散热面积，多芯片μBGA封装将是最好的解决方案。将这些封装芯片安装在具有散热器的RIMM模块上，研究μBGA的热性能，并且与实验结果进行对比是之后一段时间的工作。参考[1]BruceM.Guenin,RonaldJ.Molnar,andRobertC.Marrs,“ThermalPerformanceoftheSuperBGAPackage,SemiconductorTechnicalSymposium”,January,1996,pp.37-42.[2]JayEwanich,SarangShidore,andSepidehPashaei-Rad,“NumericalandExperimentalInvestigationofaTapeBallGridArrayPackage”,SEMITHERMXVIMarch2000.[3]TaegyeongChung,MinhaKim,JoonghyunBaek,andSeyongOh,“Junction-to-TopandJunction-to-BoardThermalResistanceMeasurementfor119BGAPackages”,FifteenthIEEESEMI-THERMSymposium,1999,pp.142-150.[4]EricTanandEricCho,“ThermalCharacterizationofCavity-DownTBGA(TapeBallGRIDArrays)PackagewithFlothermSimulation”,8thInternationalFLOTHERMUserConference,May1999.[5]PavelValenta,“ThermalModelingofChipScalePackagesforPowerApplicationsinTelecommunicationEquipment”,ESCHETAReviewMeetingBerlin,March2000.[6]JohnH.Lau,“LowCostFlip