大功率高密度系統(tǒng)級封裝產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)研究

貴州振華風(fēng)光半導(dǎo)體有限公司 胡 銳 尹 燦 何永江 陳 媛 任春橋 萬啟波

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（芯片級封裝）再到SOC和SiP（系統(tǒng)級封裝），IO數(shù)量越來越多，技術(shù)指標(biāo)也越來越先進(jìn)，隨著摩爾定律越來越接近物理極限，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)周期和降低開發(fā)成本。在進(jìn)行高密度系統(tǒng)級封裝產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，除了要對封裝的電學(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)級封裝產(chǎn)品設(shè)計(jì)中越來越重要的環(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)軟件對一款大功率高密度系統(tǒng)級封裝產(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?；诋a(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。

表1 大功率高密度SiP產(chǎn)品各個(gè)組成部分的具體信息

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?；赟OPC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。

圖1 產(chǎn)品布局示意圖

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)行接觸來增強(qiáng)散熱（存儲芯片由于耗散功率小，且為了簡化蓋板加工難度，沒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。

圖2 產(chǎn)品外形示意圖

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)器件的板級可靠性?；诋a(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。

表2 大功率高密度SiP產(chǎn)品各個(gè)組成部分的具體信息

4 熱仿真與分析

基于上述幾點(diǎn)分析，對大功率高密度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，對熱仿真結(jié)果的影響較大，該SiP產(chǎn)品對三維模型部分區(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，通過公式(1)和(2)計(jì)算得熱阻RΘJA為7.95oC/W，熱阻RΘJC(Top)為0.57oC/W。

圖3 產(chǎn)品三維模型示意圖

圖4 產(chǎn)品網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖5 產(chǎn)品熱仿真(RΘJA)結(jié)果

圖6 產(chǎn)品熱仿真RΘJC(Top)結(jié)果

分別對該大功率高密度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都會隨著外置散熱措施的增強(qiáng)(風(fēng)速從1m/s增加到4m/s)而不斷下降。相比自然對流情況下的RΘJA，增加外置散熱器和4m/s的風(fēng)速的情況下RΘJA由原來的7.95oC/W下降到2.11oC/W。表3和表4的結(jié)果對比表明，隨著溫度的改變基本上不影響RΘJA（非自然對流）和RΘJC(Top)的值，但是溫度從25℃升高到85℃會使得自然對流情況下的RΘJA由原來的7.95oC/W下降到7.12oC/W。這主要是由于自然對流情況下，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)?；诒?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)，在考慮周圍運(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。

表3 在25℃下的熱仿真結(jié)果

表4 在85℃的熱仿真結(jié)果

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（非自然對流）和RΘJC(Top)的值，但是溫度從25℃升高到85℃會使得自然對流情況下的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)，在考慮周圍運(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。