降低ic封装热阻的封装设计方法

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1、降低IC封裝熱阻的封裝設計方法-散熱設計（二）內容標題導覽：｜前言｜IC封裝熱傳基本特性｜散熱性能增強之討論｜結論｜　隨著IC封裝輕薄短小以及發熱密度不斷提昇的趨勢，散熱問題日益重要，如何降低封裝熱阻以增進散熱效能是封裝設計中很重要的技術。由於構造不同，各種封裝形式的散熱效應及設計方式也不盡相同，本片文中將介紹各種封裝形式，包括導線架(Leadframe)形式、球狀格子陣列形式(BGA)以及覆晶(FlipChip)形式封裝的散熱增進設計方式及其影響。　前言隨著電子產品的快速發展，對於功能以及縮小體積的需

2、求越來越大，除了桌上型電腦的速度不斷升級，像是筆記型電腦、手機、迷你CD、掌上型電腦等個人化的產品也成為重要的發展趨勢，相對的產品所使用的IC功能也越來越強、運算速度越來越快、體積卻越來越小，如<圖1>所示。整個演進的趨勢正以驚人的速度推進，而對這種趨勢能造成阻礙的一個主要因素就是「熱」。熱生成的主要因素是由於IC中百萬個電晶體計算時所產生的功率消耗，這些熱雖然可藉由提昇IC製程能力來降低電壓等方式來減少，但是仍然不能解決發熱密度增加的趨勢，以CPU為例，如<圖2>所示，發熱瓦數正逐年增加。散熱問題如不

3、解決，會使IC因過熱而影響到產品的可靠性，造成壽命減低甚至損毀的結果。　圖1電子產品及IC尺寸演進　　圖2IntelCPU發熱功率趨勢封裝發展的趨勢從早期PCB穿孔的安裝方式到目前以表面黏著的型式，PCB上可以安裝更多更密的IC，使得組裝的密度增高，散熱的問題也更為嚴重。針對於IC封裝層級的散熱問題，最基本的方式就是從元件本身的構造來做散熱增強的設計。而採用多層板的設計等方式，對PCB層級的散熱也有明顯的幫助，而當發熱密度更大時，則需要近一步的系統層級的散熱設計如散熱片或風扇的安裝等，才能解決散熱問題。

4、就成本的角度來看，各層級所需的費用是遞增的，因此IC封裝層級的散熱問題就特別重要了。IC封裝的型式很多，如<圖1>所示，包括了以導線腳或是以錫球連接於印刷電路板上的方式，以導線腳連接的方式像是TSOP、QFP、LCC等封裝，是由金屬導線架支撐封裝結構，藉著兩面或四邊的接腳和PCB連接。而以球狀格子陣列形式如BGA的封裝方式，是藉由封裝下方的錫球將和PCB連接。以覆晶方式的封裝則是由錫球及底層填充材料（underfill）將晶片以裸晶的方式安裝於基板(substrate)(如FlipChipBGA(FCB

5、GA)封裝)或直接承載於PCB上(稱為Flip-Chiponboard(FCOB)或DirectChipAttach(DCA))。　IC封裝熱傳基本特性評估IC封裝之散熱性能可以下式表示之[1,2]：其中RJA稱為由晶片接點到環境之熱阻，TJ為接點溫度，TA為環境溫度，Pd為消耗電力。上述RJA之定義代表晶片的散熱性能，較低的值表示較好的散熱效果。由於接點溫度無法直接得到，因此熱阻值需藉由量測方法以及數值模擬來獲得，量測的方法及裝置目前有JEDEC及SEMI兩種標準【3,4】，對於封裝的尺寸、板的設計、

6、實驗的方式及擺設都有規範，一般實驗時使用的並非是真實的晶片而是尺寸相同的熱晶片，利用晶片中溫度感應器的電壓及溫度關係來模擬實際晶片運作的溫度變化。完整的數值模擬則是利用3D的計算流力軟體，來模擬晶片的實際溫度變化情形【5】。由於熱阻值和環境有關，在使用時需注意和實際情況的差異【6,7】。IC的散熱主要有兩個方向，一個是由封裝上表面傳到空氣中，另一個則是由IC向下傳到PCB板上，再由板傳到空氣中。當IC以自然對流方式傳熱時，向上傳的部分很小，而向下傳到板子則佔了大部分，以導線腳或是以球連接於板上的方式，其

7、詳細的散熱模式不盡相同。以導線腳型式的封裝為例，向下傳的熱又可分成兩部分，一部分是經由導線架及接腳傳到PCB，另一部份則是由晶片經由模塑材料及下方空隙的空氣傳到PCB中，如<圖3（a）>所示。而BGA的散熱方式則是藉由基板（substrate）及錫球（solderball）將熱傳到PCB中，如<圖3（b）>所示，覆晶直接承載則是經由下方錫球及底層填充材料將熱傳到PCB中，如<圖3（c）>所示。由分析可知在自然對流時，QFP、BGA以及FCOB熱傳向下方PCB的比例分別為85%，88%以及95%。由此可知

8、，當自然對流時，晶片的熱大部分會傳到板上，設法使熱更容易向下傳到板上，是一個散熱設計原則，因此像是在QFP中的導線架，以及BGA中的基板及錫球，都和散熱設計有很大關係。強制對流時，雖然大部分的熱會轉而由封裝上方傳出，降低散熱路徑的熱阻值對於散熱仍有很大的幫助。覆晶由於原本就很容易將熱傳到板上，因此就封裝本身的改善空間有限，需由外加散熱裝置等方式來作改善。　圖3各種封裝型式的散熱路徑由前面的分析可知，由於導線架形式的封裝部分的熱需藉由接腳散去