數(shù)字接收機ASIC封裝芯片的熱分析

金珠　陳依軍　王棟

摘 要：該文介紹了數(shù)字接收機ASIC芯片的封裝模型與工藝，分析了該芯片的散熱模型與散熱方式。通過ABAQUS軟件，仿真分析了ASIC芯片在自然對流、空氣強迫對流以及液冷三種散熱條件下的溫度分布，仿真結(jié)果為后續(xù)ASIC芯片的正常使用提供了可靠依據(jù)。

關(guān)鍵詞：ASIC 封裝 熱量 仿真

中圖分類號：TN312.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（c）-00-02

封裝對于芯片來說是非常重要的，它不僅起著保護芯片和增強導(dǎo)熱性能的作用，而且還是溝通芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部電路的橋梁。芯片的封裝技術(shù)已經(jīng)歷了好幾代的變遷，從雙列直插封裝（DIP）、四邊引線扁平封裝（QFP）、插針網(wǎng)格陣列封裝（PGA）、球柵陣列封裝（BGA）、芯片尺寸封裝（CSP）到系統(tǒng)級封裝（SiP），技術(shù)指標(biāo)一代比一代先進(jìn)，芯片面積與封裝面積之比越來越接近于1，適用頻率越來越高，耐溫性能越來越好，引腳數(shù)增多，引腳間距減小，重量減小，可靠性提高，使用更加方便等。

由于芯片封裝尺寸越來越小，且集成電路的密度不斷增大，這導(dǎo)致芯片功率密度提高，集成電路單位體積發(fā)熱量增加。如果芯片封裝外殼不能及時將熱量散發(fā)出去，芯片溫度會不斷升高，這種由于溫度升高引起芯片失效稱為“電子熱失效”。

電子熱失效是因為電流通過引腳以及晶體管組成的半導(dǎo)體器件受到一定的阻抗后，將這部分電能轉(zhuǎn)化為熱量，導(dǎo)致芯片內(nèi)部溫度升高。當(dāng)溫度上升到某一值時，芯片將因失效而瞬間停止工作，甚至引起封裝材料的燃燒。

除了高溫引起的實效外，溫度升高還會引起其他失效模式，如寄生化學(xué)反應(yīng)、雜質(zhì)擴散和因各種封裝材料的熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的熱應(yīng)力所引起的機械實效等。因此，熱設(shè)計和散熱技術(shù)的研究已受到電子封裝業(yè)界的廣泛重視，也是高密度電子封裝設(shè)計不可缺少的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

該文提及的ASIC芯片主要應(yīng)用于數(shù)字接收機。多路ADC分別采集射頻前端的模擬信號后，將數(shù)字信號并行輸入到ASIC芯片，而ASIC芯片則計算輸出雷達(dá)信號的脈沖描述字。ASIC封裝芯片能否長時間正常工作，其散熱是關(guān)鍵。該文首先建立了該ASIC芯片的封裝模型，然后對其進(jìn)行熱分析與仿真，這為ASIC芯片的封裝提供了有力保障。

1 ASIC封裝模型

ASIC芯片的封裝模型，如圖1所示。封裝基板采用BT材料，其特點是線寬/線距小，基板厚度薄，主要應(yīng)用于高密度、高速的封裝基板。封裝材料選用環(huán)氧樹脂，固化后具有良好的粘接性、電絕緣性、耐化學(xué)腐蝕性，且收縮率小，外形尺寸穩(wěn)定性好，該樹脂已廣泛應(yīng)用于各類塑封芯片。ASIC芯片采用BGA封裝，其裸片尺寸為6.54 mm×6.54 mm，芯片封裝體積為17 mm×17 mm×1.7 mm，BGA焊球數(shù)為400，其中BGA焊球直徑為0.4 mm，球間距為0.8 mm。

圖2顯示了ASIC芯片的封裝工藝流程。首先，將BT基板烘干處理，采用導(dǎo)電膠將ASIC裸片粘貼在BT基板上并固化，接著對裸片進(jìn)行金絲焊接，并利用等離子清洗殘膠，然后對芯片進(jìn)行環(huán)氧樹脂塑封，待樹脂固化后在其表面打標(biāo)，最后將ASIC芯片植球，進(jìn)行回流處理。

2 熱分析與仿真

ASIC封裝芯片的散熱好壞將直接影響芯片是否正常使用，在完成對ASIC芯片的封裝建模后，有必要對封裝芯片進(jìn)行詳細(xì)的散熱分析與仿真。

ASIC封裝芯片的散熱途徑分為內(nèi)熱通道、外熱通道。從ASIC裸片熱源到封裝外殼為內(nèi)熱通道，內(nèi)熱通道的主要傳熱方式為熱傳導(dǎo)。對于最簡單的一維方式，熱量Q從材料一端到另一端表達(dá)式如下：

Q1=k·AT2-T1L （1）

其中，k為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，L為材料的導(dǎo)熱長度，A為材料的截面，T1、T2分別為材料兩端的溫度?？梢?，內(nèi)熱通道的散熱效果主要取決于材料特性與結(jié)構(gòu)尺寸。

從ASIC封裝外殼表面到環(huán)境空間為外熱通路，外熱通路的主要散熱方式為對流和輻射。外熱通路的設(shè)計主要取決于冷卻方式、電路板與系統(tǒng)的組成。

ASIC封裝芯片外熱通道的輻射熱量可表示為：

其中，ε為表面輻射率（0≤ε≤1），為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)（σb=5.67×10-8W/m2·K4），F(xiàn)ca為輻射角系數(shù)，A為輻射面積，T為熱源的絕對溫度，Ta為周圍環(huán)境的絕對溫度。由于封裝芯片表面溫度一般較低，故可忽略輻射換熱。

ASIC封裝芯片外熱通道的對流換熱，可采用以下方程表示：

Q3=h·A′·（Tp-TL） （3）

其中，h為對流換熱系數(shù)，A′為封裝芯片的換熱面積，TL為流體溫度，Tp為封裝芯片的壁面溫度?？梢?，h、A′越大，散熱效率越高。但h不是一個常數(shù)，而是隨著對流的類型（強迫對流、自然對流）、空氣流速以及特征尺寸變化的。

ASIC封裝芯片外熱通道的對流散熱方法主要包括空氣自然對流、空氣強迫對流以及液冷等。ASIC封裝芯片的熱分析模型，如圖3所示。將ASIC封裝芯片放置于PCB板上，采用ABAQUS軟件分析ASIC封裝芯片在自然對流、空氣強迫對流以及液冷三種方式下的散熱情況。

ASIC芯片采用塑封BGA方式，裸芯片功耗為4W，為了提高芯片的散熱效果，封裝選用高導(dǎo)熱系數(shù)的塑封材料。ASIC封裝芯片中各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)，如表1所示。

自然對流散熱的關(guān)鍵是選擇合適的材料和封裝結(jié)構(gòu)，盡量降低封裝內(nèi)部各傳熱路徑的熱阻，形成低熱阻熱流通道，保證ASIC封裝芯片在合適的溫度范圍內(nèi)正常工作。自然對流優(yōu)點是可靠性高，成本低，不需要風(fēng)扇或泵等冷卻驅(qū)動裝置，自然對流主要應(yīng)用于熱流密度不高的封裝芯片。在進(jìn)行自然對流仿真時，在ASIC封裝芯片上表面放置熱沉，可提高ASIC封裝芯片的散熱效果。在環(huán)境溫度為85 ℃且采用自然對流（換熱系數(shù)h值約為5～10）條件下，ASIC封裝芯片的溫度分布如圖4所示。仿真結(jié)果表明：在自然對流情況下，ASIC裸芯片最高溫度為114.3 ℃，接近其最高結(jié)溫（一般大于125 ℃），且增大熱沉與空氣的接觸面積對降低溫度效果不明顯，所以自然對流不能很好的解決ASIC封裝芯片的散熱

問題。

為了減小ASIC封裝芯片的溫度，可采用風(fēng)扇驅(qū)動空氣流動帶走熱量的空氣強迫對流，提高對流換熱系數(shù)，加快空氣流速。圖5為ASIC封裝芯片在環(huán)境溫度為85 ℃，空氣強迫對流條件下（h=30 W/（m2·℃））的溫度分布。仿真結(jié)果表明：30時，ASIC裸片最高溫度104.4 ℃，仿真結(jié)果滿足設(shè)計要求。通過增大熱沉與空氣的接觸面積，可以進(jìn)一步降低ASIC封裝芯片的溫度。

在分析自然對流和空氣強迫對流時，在ASIC封裝芯片上表面放置了一熱沉。而在某些應(yīng)用中，無法為ASIC封裝芯片提供大尺寸熱沉，這時可考慮采用液冷方式對ASIC封裝芯片進(jìn)行散熱處理。液冷適用于熱流密度較高的封裝器件。由于液體的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱均比空氣大，因此采用液冷方式可減小有源換熱環(huán)節(jié)的熱阻，極大提高冷卻效率。在進(jìn)行液冷仿真時，為ASIC封裝芯片上表面提供70 ℃液冷面，其仿真結(jié)果如圖6所示?？梢?，在環(huán)境溫度為85 ℃時，采用70 ℃液冷散熱，ASIC封裝芯片裸片最高溫度只有80.47 ℃，遠(yuǎn)低于其最高結(jié)溫，仿真結(jié)果滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)語

該文建立了數(shù)字接收機ASIC芯片的封裝模型，該封裝采用高導(dǎo)熱系數(shù)的塑封BGA方式。通過對ASIC封裝芯片進(jìn)行熱分析，仿真結(jié)果表明：ASIC封裝芯片采用空氣強迫對流和液冷方式進(jìn)行散熱能夠滿足設(shè)計要求，這為后續(xù)ASIC封裝芯片的正常使用提供了有力的理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] Rao R.Tummala.Fundamentals of Microsystems Packaging[M].New York：McGraw-Hill，2001.

[2] L.T.Yeh.Review of Heat Transfer in Electronics Equipment[J].ASME Journal of Electronics Packaging，1995，117：333-339.

[3] Z.Johnson.Designed Based Thermal Simulation Methodology for Ball Grid Array Packages，Proc 6th Intersoc.Conf.Thermal Phenom.Electron.Syst.（ITHERM），1998：82-87.

[4] Bruce Guenin.Conduction Heat Transfer in a Printing Circuit Board[J].Electronics Cooling Magazine，2001，2（4）：98.

[5] 田民波.電子封裝工程[J].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[6] 曾理，陳文媛.集成電路封裝高密度化與散熱問題[J].電子與封裝.2006，6（9）：15-21.

[7] 鮮飛.芯片封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢[J].中國集成電路，2006，15（2）：73-76.

[8] 黃衛(wèi)東，羅樂.封裝結(jié)構(gòu)與材料導(dǎo)熱系數(shù)對FC-BGA熱性能的影響[J].電子與封裝，2007，7（8）：11-16.