一文解析IC封裝形式的散熱改善方式及效果

　　作者：劉君愷（工研院電子所構(gòu)裝中心工程師）

　　隨著IC封裝輕薄短小以及發(fā)熱密度不斷提升的趨勢，散熱問題日益重要，如何降低封裝熱阻以增進(jìn)散熱效能是封裝設(shè)計(jì)中很重要的技術(shù)。由于構(gòu)造不同，各種封裝形式的散熱效應(yīng)及設(shè)計(jì)方式也不盡相同，本片文中將介紹各種封裝形式，包括導(dǎo)線架（Leadframe）形式、球狀格子數(shù)組形式（BGA）以及覆晶（Flip Chip）形式封裝的散熱增進(jìn)設(shè)計(jì)方式及其影響。

　　前言

　　隨著電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，對(duì)于功能以及縮小體積的需求越來越大，除了桌上型計(jì)算機(jī)的速度不斷升級(jí)，像是筆記型計(jì)算機(jī)、手機(jī)、迷你CD、掌上型計(jì)算機(jī)等個(gè)人化的產(chǎn)品也成為重要的發(fā)展趨勢，相對(duì)的產(chǎn)品所使用的IC功能也越來越強(qiáng)、運(yùn)算速度越來越快、體積卻越來越小，如《圖1》所示。整個(gè)演進(jìn)的趨勢正以驚人的速度推進(jìn)，而對(duì)這種趨勢能造成阻礙的一個(gè)主要因素就是「熱」。熱生成的主要因素是由于IC中百萬個(gè)晶體管計(jì)算時(shí)所產(chǎn)生的功率消耗，這些熱雖然可藉由提升IC制程能力來降低電壓等方式來減少，但是仍然不能解決發(fā)熱密度增加的趨勢，以CPU為例，如《圖2》所示，發(fā)熱瓦數(shù)正逐年增加。散熱問題如不解決，會(huì)使IC因過熱而影響到產(chǎn)品的可靠性，造成壽命減低甚至損毀的結(jié)果。

　　圖1 電子產(chǎn)品及IC尺寸演進(jìn)

　　圖2 Intel CPU發(fā)熱功率趨勢

　　封裝發(fā)展的趨勢從早期PCB穿孔的安裝方式到目前以表面粘著的型式，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(yán)重。針對(duì)于IC封裝層級(jí)的散熱問題，最基本的方式就是從組件本身的構(gòu)造來做散熱增強(qiáng)的設(shè)計(jì)。而采用多層板的設(shè)計(jì)等方式，對(duì)PCB層級(jí)的散熱也有明顯的幫助，而當(dāng)發(fā)熱密度更大時(shí)，則需要近一步的系統(tǒng)層級(jí)的散熱設(shè)計(jì)如散熱片或風(fēng)扇的安裝等，才能解決散熱問題。就成本的角度來看，各層級(jí)所需的費(fèi)用是遞增的，因此IC封裝層級(jí)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(dǎo)線腳或是以錫球連接于印刷電路板上的方式，以導(dǎo)線腳連接的方式像是TSOP、QFP、LCC等封裝，是由金屬導(dǎo)線架支撐封裝結(jié)構(gòu)，借著兩面或四邊的接腳和PCB連接。而以BGA的封裝方式，是藉由封裝下方的錫球?qū)⒑蚉CB連接。以覆晶方式的封裝則是由錫球及底層填充材料（underfill）將芯片以裸晶的方式安裝于基板（substrate）（如Flip Chip BGA （FCBGA）封裝）或直接承載于PCB上（稱為Flip-Chip on board （FCOB） 或 Direct Chip Attach （DCA））。

　　IC封裝熱傳基本特性

　　評(píng)估IC封裝之散熱性能可以下式表示之［1，2］：

　　其中RJA 稱為由芯片接點(diǎn)到環(huán)境之熱阻，TJ為接點(diǎn)溫度，TA為環(huán)境溫度，Pd為消耗電力。上述RJA之定義代表芯片的散熱性能，較低的值表示較好的散熱效果。由于接點(diǎn)溫度無法直接得到，因此熱阻值需藉由量測方法以及數(shù)值仿真來獲得，量測的方法及裝置目前有JEDEC及SEMI兩種標(biāo)準(zhǔn)【3，4】，對(duì)于封裝的尺寸、板的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)的方式及擺設(shè)都有規(guī)范，一般實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的并非是真實(shí)的芯片而是尺寸相同的熱芯片，利用芯片中溫度感應(yīng)器的電壓及溫度關(guān)系來仿真實(shí)際芯片運(yùn)作的溫度變化。完整的數(shù)值仿真則是利用3D的計(jì)算流力軟件，來仿真芯片的實(shí)際溫度變化情形【5】。由于熱阻值和環(huán)境有關(guān)，在使用時(shí)需注意和實(shí)際情況的差異【6，7】。

　　IC的散熱主要有兩個(gè)方向，一個(gè)是由封裝上表面?zhèn)鞯娇諝庵校硪粋€(gè)則是由IC向下傳到PCB板上，再由板傳到空氣中。當(dāng)IC以自然對(duì)流方式傳熱時(shí)，向上傳的部分很小，而向下傳到板子則占了大部分，以導(dǎo)線腳或是以球連接于板上的方式，其詳細(xì)的散熱模式不盡相同。以導(dǎo)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(jīng)由導(dǎo)線架及接腳傳到PCB，另一部份則是由芯片經(jīng)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（solder ball）將熱傳到PCB中，如《圖3（b）》所示，覆晶直接承載則是經(jīng)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(duì)流時(shí)，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，當(dāng)自然對(duì)流時(shí)，芯片的熱大部分會(huì)傳到板上，設(shè)法使熱更容易向下傳到板上，是一個(gè)散熱設(shè)計(jì)原則，因此像是在QFP中的導(dǎo)線架，以及BGA中的基板及錫球，都和散熱設(shè)計(jì)有很大關(guān)系。強(qiáng)制對(duì)流時(shí)，雖然大部分的熱會(huì)轉(zhuǎn)而由封裝上方傳出，降低散熱路徑的熱阻值對(duì)于散熱仍有很大的幫助。覆晶由于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，由于導(dǎo)線架形式的封裝部分的熱需藉由接腳散去，散熱路徑較長，因此比起熱可直接往下方經(jīng)由基板傳出的球狀格子數(shù)組封裝的形式散熱要差，而覆晶形式的封裝由于熱較可直接由芯片傳到PCB上，因此散熱效果會(huì)最好。以相同封裝面積（foot area）12mm×12mm而言，QFP，BGA及Flip chip的熱阻值分別為50℃/W，36℃/W 及20℃/W。

　　散熱性能增強(qiáng)之討論【8，9】

　　封裝熱阻的改善手段主要可透過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料性質(zhì)改變以及外加散熱增進(jìn)裝置三種方式。以下將分別就三種封裝形式的散熱設(shè)計(jì)作詳細(xì)討論。

　　1. 導(dǎo)線架型式之封裝

　　使用導(dǎo)線架的封裝型式如TSOP、QFP、PLCC等封裝，雖然腳數(shù)及外型不同，但是結(jié)構(gòu)上是類似的，因而散熱改善的方式也有共通性，以下討論組件各種散熱改善方式及效果。

　　對(duì)于QFP而言，一般可用腳數(shù)或封裝尺寸表示，如100PQFP（100 pin）或是10×10PQFP（10mm×10mm size），可用以下的方式增進(jìn)散熱能力：

　?。?） 采用高熱傳導(dǎo)系數(shù)的模塑復(fù)合材料。

　　傳統(tǒng)的模塑復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)性約為0.6~0.7W/m-℃，可使用傳導(dǎo)性高的模塑復(fù)合材料使傳到導(dǎo)線的熱量增加，而使熱阻值降低。若100 PQFP采用K=3.0 W/m-℃的材料，而言，約可降低14.5℃/W，而64PQFP則可降低約15℃/W。

　?。?） 使用熱傳導(dǎo)性高之導(dǎo)線架。

　　使用導(dǎo)熱性高的銅合金來取代鐵合金Alloy-42，將可使導(dǎo)熱性質(zhì)改善，此兩種材料和模塑復(fù)合材料傳導(dǎo)性對(duì)散熱的關(guān)系，如《圖4》所示。

　　圖4 模塑材料及導(dǎo)線架材料傳導(dǎo)性對(duì)熱阻之影響

　?。?） 減少導(dǎo)線及支撐墊的間隙。

　　這是花費(fèi)最少的熱性能增強(qiáng)方式，減少導(dǎo)線及支撐墊之間的距離，可使經(jīng)前述之散熱路徑散去之熱增加，對(duì)于14×20之PQFP，熱阻約可降低10℃/W。

　?。?） 降低IC到PCB的間距。

　　將IC到板之間的間距降低，可降低空氣間隙的熱阻，仿真顯示，若將IC之高度由150降至50μm，對(duì)10×10的PQFP而言，RJA將降低約5℃/W，而對(duì)28×28mm的PQFP而言，當(dāng)距離由240降至100μm時(shí)，熱阻可降低4℃/W。

　?。?）熔接的導(dǎo)線。

　　所謂熔接的導(dǎo)線是指導(dǎo)線直接接在芯片墊上，此種方式有助于熱傳，使得熱可直接經(jīng)由導(dǎo)線傳到板子上。對(duì)于64PQFP而言，RJA約可降低17℃/W，對(duì)208PQFP而言，也約可降低9℃/W，此種方式的缺點(diǎn)是必須避免導(dǎo)線架熱漲冷縮的問題，同時(shí)為了和模塑復(fù)合材料接合，也需有特殊之設(shè)計(jì)。

　?。?）加裝散熱片

　　最有效率的散熱方式是在IC中安裝散熱片，其中一種安裝方式是裝入一個(gè)厚的散熱片，一面暴露在空氣中，這種QFP又稱為HQFP（Heat-spreader enhanced Quad Flat Pack）【5】，另外一種方式則是在IC中裝入一片薄的散熱片。加裝散熱片的目的是增加熱傳量，因此適當(dāng)之形狀是很重要的，各種散熱片的型式如《圖5》所示，一般而言，散熱片設(shè)計(jì)之準(zhǔn)則為增加面積要比增加厚度來得重要，而面積越大，厚度越厚且露于封裝表面和空氣直接接觸的散熱片效果越好，各種散熱片的效果如《圖6》所示。

　　圖5 各種散熱片安裝方式

　　圖6 各種散熱片安裝方式的散熱效果

　　以下將討論兩種比較特殊的導(dǎo)線接腳型式的散熱效果：

　　《圖7》所示之LOC（Lead On Chip）型式主要用于TSOP或SOJ等兩面接腳的封裝型式，將導(dǎo)線架延伸至芯片上方，再以雙面膠等粘著材料和芯片連接，好處是打線距離減少，對(duì)電性幫助較大，采用此種方式的封裝方式，對(duì)TSOP 40而言熱阻約可減少14℃/W。QLP（Quad Leadless Package）型式是將QFP伸出的接腳除去，由于體積減少，因此可歸納為CSP型式，如《圖8》所示，比較7×7mmQFP及7×7mmQLP，熱阻值約可降低25℃/W。

　　圖7 LOC的封裝型式

　　圖8 QLP的封裝型式

　　3. BGA之封裝階層熱傳改善之討論【8，9】

　　BGA組件的散熱改善方式有如《圖9》所示的幾種方法，說明如下：

　　圖9 BGA型式之封裝散熱改善方式

　?。?） 使用散熱錫球（thermal ball）及散熱信道（thermal via）協(xié)助散熱

　　增加BGA散熱的最好方式是使用散熱用錫球，散熱用錫球是指直接安裝在芯片正下方基板下的錫球，可以借著錫球直接將熱傳到PCB上，而減少空氣造成的熱阻。一般為了使散熱到球更迅速，可用散熱信道穿透基板。實(shí)驗(yàn)量測顯示，對(duì)于27mmBGA而言，熱阻約可降7℃/W，如《圖10》、《圖11》所示。

　　圖10 不同球數(shù)目、基板層數(shù)和熱阻值的關(guān)系，

　?。?）352lead，2層板 （2）388lead， 2層板，（3）352lead， 4層板，（4）388lead，4層板

　　圖11 球數(shù)目（a）352及（b）388之分布關(guān)系

　?。?） 接面向下（cavity down）之BGA封裝形式

　　在接合面向下（Cavity down）形式的BGA可以加裝散熱片以幫助散熱，而主要的散熱路徑為IC＞散熱片＞（基板＞）錫球＞板，使用此種方式的散熱，熱阻將可減少14℃/W。此外，由于封裝表面可直接放置散熱片（heat sink），因此熱阻更容易降低。

　?。?） 采用多層的基板

　　就如同PCB一樣，可藉由增加銅含量來減少基板的擴(kuò)散熱阻，也就是所謂的多層BGA，27mm的多層BGA比起兩層的BGA，其熱阻約可降低5℃/W ，35mm的多層BGA比起兩層的BGA，其熱阻約可降低7℃/W。

　?。?） 嵌入式的散熱片（Metal slug）

　　和前述倒線架形式封裝的散熱片安裝方式類似，嵌入方式的散熱片則可用于接合面向上（cavity up）形式的裝置，將芯片直接安裝在嵌入的散熱片上，再藉由錫球裝置于板上，熱阻也約可有14℃/W的改善。

　　3. 覆晶直接承載IC熱傳改善之討論【10】

　　對(duì)于FCOB而言，由于組件傳到PCB的熱阻只占組件傳到空氣部分的5%以下，因此除非加裝熱擴(kuò)散片，或從板階層考慮，否則對(duì)散熱的改善有限，以下分析各種組件本身的散熱改善方式：

　　（1）增加散熱用球的影響

　　對(duì)于8×8mm的型式而言，下方長滿球和只有周圍長球的型式相比，約減少3.4℃/W。

　?。?）采用高熱傳導(dǎo)系數(shù)的underfill材料。

　　對(duì)于8×8mm形式而言，underfill材料的散熱特性對(duì)于散熱而言影響不大，就高傳導(dǎo)性的材料而言，（傳導(dǎo)性2.5W/mK）其熱阻值比起一般的材料（熱阻值0.5W/mK）只增加約1.5℃/W。

　　（3）加裝熱擴(kuò)散片

　　最有效率的散熱方式是在覆晶外安裝熱擴(kuò)散片，以增加散熱面積，并增加熱傳量。對(duì)于12×12mm的型式而言，加裝50×50×3mm的散熱片，熱阻可由21.3℃/W減少至11℃/W。

　　結(jié)論

　　本文中詳細(xì)介紹各種封裝形式的散熱改善方式及效果，由文中可知，各種封裝形式由于構(gòu)造不同，因此散熱增強(qiáng)的方法及效果不同。散熱改善的方式，大致包括了結(jié)構(gòu)、材料及散熱增進(jìn)裝置（如散熱片）的安裝。結(jié)構(gòu)的改善對(duì)于導(dǎo)線接腳及錫球連接型式的封裝散熱有顯著的影響，但是需注意制程的難易及對(duì)其他像是電性及可靠度等的影響。材料改善的效果則不同，像是導(dǎo)線架材料及BGA基板的改善對(duì)封裝的散熱效果就很顯著，而模塑材料或底部填充材料的改善則對(duì)覆晶形式封裝的影響有限。加裝散熱片一般都會(huì)有不錯(cuò)的效果，但是成本、制程及可靠度也是需同時(shí)考慮的。要改善IC本身的散熱以及降低封裝的熱阻值，必須針對(duì)不同的封裝形式來設(shè)計(jì)最符合成本及功能的散熱方式。