高導(dǎo)熱要求的CSOP陶瓷外殼熱設(shè)計

余詠梅

（福建閩航電子有限公司，福建南平353001）

高導(dǎo)熱要求的CSOP陶瓷外殼熱設(shè)計

余詠梅

（福建閩航電子有限公司，福建南平353001）

文章介紹了CSOP陶瓷外殼的熱設(shè)計。主要通過散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計、散熱結(jié)構(gòu)的材料選擇、散熱結(jié)構(gòu)加工工藝等來實現(xiàn)。經(jīng)熱阻仿真、Rθjc測試來驗證熱設(shè)計結(jié)果，證明能夠?qū)崿F(xiàn)小外形陶瓷外殼高導(dǎo)熱要求，為小外形陶瓷外殼的熱設(shè)計提供了借鑒。

CSOP；導(dǎo)熱孔；釬焊孔隙；熱沉

1 引言

集成電路發(fā)展要求封裝功能和性能更優(yōu)、體積越來越小、功率密度更大、節(jié)能環(huán)保等。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片的工作電壓不斷降低，對陶瓷外殼壓降、熱耗散的要求更高。

由于塑封產(chǎn)品在氣密性、熱特性、貯存和工作溫度等可靠性方面存在較大的缺陷，需用陶瓷封裝替代。多電源電壓供電系統(tǒng)對壓降、熱耗散有一定的要求，因此，對配套的陶瓷封裝外殼的低電阻、低熱阻設(shè)計也提出了要求。

2 CSOP陶瓷外殼熱特性要求

集成電路體積要求越來越小，CSOP封裝形式是一種理想的選擇，它外形尺寸小、厚度薄，采用平行縫焊或金錫熔封封裝工藝。熱特性要求熱阻值必須根據(jù)電路的使用要求，控制在規(guī)定的范圍值內(nèi)。CSOP封裝器件在板級組裝過程中存在可靠性問題，對CSOP陶瓷外殼提出了熱特性要求。

以幾款典型電路為例，如多電源電壓供電系統(tǒng)需要3 A帶VTT（電壓匹配功能）的電流源/電流沉調(diào)整器、雙路輸出線性低壓（LDO）型電壓調(diào)整器等集成高性能LDO，為VTT軌提供電源，通過更改LDO的輸入，以優(yōu)化總功耗。雙路調(diào)整器要求具有獨立的熱關(guān)斷保護和200 ms延時開漏輸出上電復(fù)位功能。其熱阻值根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸不同而有所差異，熱阻規(guī)范值要求參見表1。

CSOP型帶熱沉陶瓷封裝外殼是一種小型化、表貼式的封裝外殼，其翼型引線有利于吸收外殼與PCB之間因溫度變化所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，提高電路安裝的可靠性，背面加裝鎢銅熱沉（也叫鎢銅散熱底板），可大幅降低芯片到外殼表面的熱阻，滿足多電源電壓供電系統(tǒng)的要求。

表1 CSOP型帶熱沉陶瓷封裝外殼產(chǎn)品熱阻規(guī)范值一覽表

3 CSOP陶瓷外殼熱設(shè)計

CSOP陶瓷外殼熱設(shè)計主要從外殼的導(dǎo)熱通路結(jié)構(gòu)、散熱結(jié)構(gòu)的材料、散熱結(jié)構(gòu)的加工工藝等幾方面來考慮。

3.1 CSOP陶瓷外殼導(dǎo)熱通路結(jié)構(gòu)設(shè)計

陶瓷外殼熱設(shè)計，首先從結(jié)構(gòu)上考慮。導(dǎo)熱通路結(jié)構(gòu)設(shè)計一般是通過傳導(dǎo)、對流、輻射三種方式。即從芯片上的發(fā)熱結(jié)通過芯片→芯片粘接層→外殼底座到外殼表面的散熱是熱傳導(dǎo)，從外殼外表面到周圍環(huán)境的散熱是對流和輻射。

CSOP陶瓷外殼導(dǎo)熱通路結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮傳導(dǎo)方式。我們設(shè)計了將熱沉直接焊接在陶瓷芯腔背面和在陶瓷底片上沖孔、注漿，將熱沉焊接在陶瓷底片背面這兩種熱傳導(dǎo)方式。其中將熱沉直接焊接在陶瓷芯腔背面，熱沉和芯片直接接觸，起到固定芯片和導(dǎo)熱的作用，參見圖1；在陶瓷底片上沖孔、注漿，將熱沉焊接在陶瓷底片背面，通過注漿孔與底層的芯片鍵合區(qū)相連通，起到導(dǎo)熱作用，參見圖2。

圖1 熱沉和芯片直接接觸式產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 熱沉和注漿導(dǎo)熱孔接觸式產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

通過與高溫陶瓷制造工藝的反復(fù)試驗驗證，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須關(guān)注不同產(chǎn)品應(yīng)根據(jù)腔體的大小，設(shè)計不同的注漿孔排布方式及數(shù)量。如陶瓷外殼腔體尺寸為1.60 mm×1.60 mm，陣列式排布可設(shè)計為3×3 (排)共9個注漿孔；陶瓷外殼腔體尺寸為4.90 mm× 2.10 mm，陣列式排布可設(shè)計為6×3(排)共18個注漿孔；陶瓷外殼腔體尺寸為5.90 mm×2.50 mm，可采用交錯排列式，設(shè)計為11×4(排)共44個注漿孔。散熱孔位、數(shù)量的設(shè)計要結(jié)合芯片設(shè)計，有利于發(fā)熱部位熱量的排出。

3.2 CSOP陶瓷外殼散熱結(jié)構(gòu)的材料選擇

CSOP陶瓷外殼設(shè)計總的技術(shù)路線為：結(jié)構(gòu)設(shè)計→材料設(shè)計→工藝設(shè)計。

CSOP陶瓷外殼工藝技術(shù)路線為：流延→疊片層壓→注漿（必要時）→印刷→層壓→切割→高溫共燒→鍍鎳→釬焊→鍍鎳鍍金→退火→檢驗→包裝→入庫。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，考慮了為實現(xiàn)外殼良好散熱的導(dǎo)熱孔和熱沉的傳導(dǎo)散熱方式，基于外殼電性能和熱性能的要求，導(dǎo)電材料選擇鎢金屬漿料，導(dǎo)熱材料選擇鎢銅合金材料，CSOP陶瓷外殼選擇的材料清單參見表2。

表2 CSOP陶瓷外殼材料清單

材料設(shè)計也是關(guān)鍵的一環(huán)，鎢-銅合金綜合了金屬鎢和金屬銅的優(yōu)點，其中鎢熔點高(熔點為3410℃)，密度大(密度為19.34 g/cm3)，銅導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)越，鎢-銅合金既具有鎢的低膨脹特性，又具有銅的高導(dǎo)熱特性，其熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱導(dǎo)電性能可以通過調(diào)整鎢-銅的比例而加以改變。鎢-銅的微觀組織均勻、耐高溫、強度高、密度大，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能良好，與陶瓷熱膨脹系數(shù)較匹配，是熱沉的良好材料。

因此，選用鎢-銅合金作為熱沉材料，使芯片因熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱量通過外殼散發(fā)到周圍環(huán)境中去，從而抑制電路的溫升，解決大功耗電路的散熱問題。

不同比例鎢-銅材料熱膨脹系數(shù)與92%氧化鋁陶瓷的熱膨脹系數(shù)存在最佳匹配的問題，需通過試驗對比驗證。表3是鎢-銅材料熱膨脹系數(shù)一覽表。

我國有關(guān)行政主管部門關(guān)于安全使用各種水產(chǎn)用獸藥的科學(xué)知識普及與宣傳力度不夠，導(dǎo)致在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的一些錯誤的用藥觀念流傳甚廣。處于生產(chǎn)第一線的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)者難以系統(tǒng)獲得科學(xué)用藥的知識，他們關(guān)于水產(chǎn)用獸藥的知識大多是來自一些水產(chǎn)用獸藥生產(chǎn)企業(yè)的業(yè)務(wù)人員不系統(tǒng)甚至片面的宣傳。近年來，一些有悖于科學(xué)的用藥觀念正在我國部分的水產(chǎn)養(yǎng)殖地區(qū)流傳。例如“治病先殺蟲”“猛藥能治病”“潑灑沒有錯”等用藥理念，導(dǎo)致藥物濫用成為普遍現(xiàn)象。

表3 鎢-銅材料熱膨脹系數(shù)一覽表

由于WCu15和WCu20的熱膨脹系數(shù)與92%氧化鋁陶瓷相近。通過試驗，WCu15與92%氧化鋁陶瓷通過銀銅焊料結(jié)合較好,WCu15作為熱沉材料是較理想的選擇。

3.3 CSOP陶瓷外殼散熱結(jié)構(gòu)加工工藝

CSOP陶瓷外殼在制造工藝上，通過控制外殼芯腔的平坦度、釬焊孔隙率、金屬化通孔的空洞、帶熱沉的安裝翹曲度等來保證產(chǎn)品熱性能的一致性，滿足器件的散熱要求，有效避免芯片的熱應(yīng)力破壞，提高半導(dǎo)體器件的工作穩(wěn)定性和可靠性，延長器件的使用壽命。

4 熱設(shè)計驗證

CSOP陶瓷外殼熱設(shè)計的驗證也是保證產(chǎn)品熱性能的重要手段。主要通過CSOP陶瓷外殼的Rθjc模擬、Rθjc數(shù)學(xué)計算、Rθjc的測試和驗證結(jié)果分析，來證明CSOP陶瓷外殼熱設(shè)計的可靠性。

4.1 軟件模擬計算數(shù)據(jù)

封裝熱阻仿真計算利用自帶熱場、流體場求解器的有限元軟件Ansys Icepak 14.5進行，其基本方法是對三維模型進行有限元劃分并通過求解器反復(fù)迭代計算，收斂后得到的結(jié)果即為熱仿真結(jié)果。仿真模擬計算數(shù)據(jù)見表4。

4.2 數(shù)學(xué)計算

陶瓷外殼的熱阻值也可通過熱阻計算獲得。其數(shù)學(xué)計算方法可參考《電子與封裝》2014年4月刊賈松良等撰寫的《有關(guān)QFN72和CQFN72的熱阻計算》一文，本文不做贅述。

表4 CSOP電路熱阻仿真計算結(jié)果

4.3 實際測試

封裝后的陶瓷外殼進行了熱阻實際測試，測試內(nèi)容為結(jié)-殼熱阻θjc。測試原理是根據(jù)JEDEC JESD51-1相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行，測試設(shè)備是T3ster 2000熱阻測試儀。測試結(jié)果見表5。

表5 CSOP陶瓷外殼結(jié)殼熱阻測試結(jié)果

4.4 數(shù)據(jù)分析

(1)仿真計算用到的材料熱導(dǎo)率參數(shù)是由外殼廠商、原材料廠商提供的，只是一個范圍值，每批原材料參數(shù)之間存在偏差，沒有專門根據(jù)外殼批次提供的準(zhǔn)確的熱導(dǎo)率測量報告證明其參數(shù)的準(zhǔn)確性。

(2)仿真計算設(shè)置的導(dǎo)熱環(huán)境是理想的，保證熱量只流向主導(dǎo)熱通道。而實測環(huán)境無法保證熱量完全流向主導(dǎo)熱通道，部分熱量沿陶瓷外殼其他面和蓋板流出。

(3)仿真建模中，芯片與基座焊接、陶瓷外殼與熱沉釬焊均處理為理想情況，即不存在焊接孔洞、不考慮接觸熱阻。而實際情況并非如此，這也是導(dǎo)致仿真值與實測值偏差的重要原因。

測試結(jié)果顯示，CSOP20-0.65型帶熱沉陶瓷外殼的熱阻值達不到規(guī)范值要求，需改進，為完善下一步的研制工作提供了參考數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

CSOP陶瓷外殼熱設(shè)計，通過散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計、散熱結(jié)構(gòu)的材料選擇、散熱結(jié)構(gòu)加工工藝、熱設(shè)計驗證，證明能夠滿足小外形陶瓷外殼高散熱要求，為小外形陶瓷外殼的熱設(shè)計提供了借鑒。

[1]王先春，賈松良，陳裕焜．集成電路封裝試驗手冊[M]．北京：電子工業(yè)出版社，1998．

Thermal Design of High Heat Dissipation CSOP Ceramic Shell

YU Yongmei
（MinHang Electronics Co.,Ltd.,Nanping 353001,China）

The paper introduces the thermal design of CSOP ceramic shell,mainly covering design of heat dissipation structure,the materialselection ofheat dissipation structure,and the processof heat dissipation structure.The simulation of thermal resistance and R theta jc test verify that thermal design meets the high heat dissipation requirements of small ceramic shell and provides reference for thermal design of the small ceramic shell.

CSOP;thermalconductive hole;brazing pore;heatsink

TN305.94

A

1681-1070（2017）08-0005-03

余詠梅（1966—），女，江西人，高級工程師，從事陶瓷封裝外殼研制工作二十多年。

2017-4-6