非氣密倒裝焊陶瓷封裝熱特性分析及測試驗證

引 言

倒裝陶瓷球柵陣列（FC-CBGA:Flip Chip Ceramic Ball Grid Array）封裝技術(shù)是IBM公司開發(fā)的一種技術(shù)，其采用高熔點(diǎn)90Pb-10Sn合金制作焊料球，通過低熔點(diǎn)共晶焊料63Sn/37Pb連接到封裝體及后續(xù)的PCB板上［1，2］。由于該封裝具有優(yōu)秀的電性能、熱性能和可靠性，因而其應(yīng)用已相當(dāng)廣泛。

由于業(yè)界缺乏統(tǒng)一的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，且出于技術(shù)保密和經(jīng)濟(jì)成本的考慮，器件生產(chǎn)廠商提供的器件內(nèi)部數(shù)據(jù)和熱參數(shù)非常有限，隨著芯片的制程越來越先進(jìn)，目前7 nm工藝已經(jīng)量產(chǎn)，芯片的功率和功率密度越來越高，因此對此類倒裝球柵陣列的詳細(xì)熱模型進(jìn)行分析變得十分必要。

國內(nèi)對CBGA焊球可靠性的熱分析研究得較多，但是對整個封裝體，尤其是封裝體本身的熱衷研究卻很少。高輝等［3］對多芯片陶瓷封裝的結(jié)-殼熱阻分析方法進(jìn)行了研究，研究了多芯片熱耦合對熱阻的影響；Ravl等［4］對FC-CBGA進(jìn)行了研究，分析了有蓋板和無蓋板的封裝、不同芯片尺寸和不同熱沉條件下芯片結(jié)點(diǎn)與環(huán)境之間的熱阻Rja的變化，并按照J(rèn)EDEC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了實驗；謝秀娟等［5］對裸芯式、平板式和蓋板式3種形式、不同芯片尺寸和不同潤滑劑材料對系統(tǒng)熱阻的影響進(jìn)行了仿真分析，但是都沒有對FC-CBGA結(jié)殼熱阻進(jìn)行分析研究。

本文針對非氣密倒裝焊陶瓷封裝，擬采用現(xiàn)成的熱阻測試芯片設(shè)計典型熱阻測試器件，通過有限元建立三維有限元熱模型，分析芯片尺寸、熱沉和導(dǎo)熱膠材料對FC-CBGA結(jié)殼熱阻的影響，通過對一種典型器件的熱阻測試驗證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1熱阻測試器件設(shè)計

采用單元尺寸為2.54 mm×2.54 mm的熱阻測試芯片（如圖1所示）為基礎(chǔ)，考慮陶瓷基板的加工成本，并同時兼顧芯片尺寸、熱沉蓋板和導(dǎo)熱膠對結(jié)殼熱阻的測試研究，定制了一款能夠兼容1×1、3×3和5×5熱阻測試單元的通用的陶瓷基板，熱阻測試用CGA管腳從基板的四周引出，如圖2所示。

非氣密性的FC-CCGA的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖3所示，由圖3中可以看出，其由熱沉、導(dǎo)熱膠、芯片、C4凸點(diǎn)陣列、陶瓷基板和測試管腳銅柱組成。

圖3 非氣密性封裝FC-CBGA結(jié)構(gòu)圖

2非氣密倒裝焊陶瓷封裝熱仿真分析

2.1 模型尺寸參數(shù)

三維熱模型的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1所示，非氣密性FC-CCGA不同組成部分的熱參數(shù)如表2所示。表1 模型結(jié)構(gòu)尺寸非氣密性FC-CCGA不同組成部分熱參數(shù)

表2 非氣密性FC-CCGA不同組成部分的熱參數(shù)

2.2 熱仿真邊界條件

結(jié)到殼頂θj-top熱阻的仿真設(shè)置為：對封裝體設(shè)置四周與底部絕熱，蓋板上表面設(shè)置固定參考溫度為60℃，不考慮對流和輻射對散熱的影響。

結(jié)到殼底θj-bottom熱阻的仿真設(shè)置為：不考慮導(dǎo)熱膠對散熱的影響，對封裝體設(shè)置四周與頂部絕熱，下表面設(shè)置固定參考溫度為60℃，不考慮對流和輻射對散熱的影響。

2.3 芯片尺寸對熱阻的影響

在基板、熱沉尺寸都相同的情況下，分別仿真1×1、3×3和5×5這3種芯片尺寸對陶瓷封裝熱阻的影響，仿真結(jié)果如圖4所示，從圖4中可以看出θj-bottom的熱阻比θj-top的熱阻要大一倍左右。從趨勢上看，芯片尺寸越大，θj-top和θjbottom越小。隨著芯片尺寸的增大，熱阻減小的幅度越大。以θj-top為例，芯片從1×1變?yōu)?×3時，尺寸增大了9倍，熱阻降低了6.93倍；從3×3變大到5×5倍時，尺寸增大了2.7倍，熱阻降低了2.6倍。

文獻(xiàn)［6］認(rèn)為，當(dāng)熱量從窄區(qū)域的芯片傳遞到寬截面基板時，熱流是與材料截面成45°角擴(kuò)散的。從該角度可以分析，對于1×1的芯片，雖然基板和熱沉尺寸很大，但是對降低熱阻有明顯效果的只有45°角對應(yīng)的區(qū)域。因此對于倒裝焊封裝，從散熱角度考慮，設(shè)計與芯片尺寸匹配的基板和熱沉能夠最大化兼顧成本和散熱效率。熱阻45°計算方法示意圖如圖5所示。

圖4 芯片尺寸對結(jié)殼熱阻的影響

圖5 熱阻45°計算方法示意圖

2.4 熱沉及導(dǎo)熱膠對θj-top的影響

對于非氣密性倒裝焊陶瓷封裝而言，熱沉是最重要的散熱路徑，從上面的分析中可以看出，θj-top比θj-bottom還小很多，熱沉蓋板和導(dǎo)熱膠的材料選擇將直接影響封裝體的散熱效果。

為了研究熱沉蓋板材料對熱阻的影響，選取了5組常使用的熱沉蓋板材料，管殼采用40 mm×40 mm×2 mm的尺寸、陶瓷為A440材料，以5×5單元滿陣列發(fā)熱的芯片為研究對象進(jìn)行結(jié)殼熱阻仿真分析。熱沉的材料參數(shù)特性如表3所示。

結(jié)到殼頂熱阻仿真溫度云圖如圖6所示，熱沉熱導(dǎo)率與結(jié)-殼頂熱阻θj-top的關(guān)系如圖7所示。從圖7中可以看出，θj-top隨著熱沉材料的熱導(dǎo)率的升高而降低，但兩者之間并不是一個線性的關(guān)系。材料4J42與AlSiC的熱導(dǎo)率相差10倍，但是熱阻只相差30%。

導(dǎo)熱膠用于粘接芯片和熱沉，導(dǎo)熱膠的選擇需要考慮固化溫度、粘接強(qiáng)度和熱導(dǎo)率。文中選用兩款常用的導(dǎo)熱膠作為分析對象，其材料特性如表4所示。

圖6 結(jié)到殼頂熱阻仿真溫度云圖

圖7 熱沉蓋板熱導(dǎo)率與θj-top影響

因為導(dǎo)熱膠的熱導(dǎo)率較低，對于θj-top導(dǎo)熱膠的熱導(dǎo)率占比很大，具體的表現(xiàn)形式為，結(jié)到殼頂?shù)臒嶙桦S著導(dǎo)熱膠材料的熱導(dǎo)率的升高而降低，如表5所示。 表5 不同導(dǎo)熱膠對應(yīng)的θj-top值

3典型器件的結(jié)殼熱阻測試驗證

對1×1單元的芯片的典型器件使用熱阻測試儀進(jìn)行結(jié)殼熱阻測試，器件測試圖如圖8所示，測試結(jié)果如圖9-10所示。結(jié)殼熱阻仿真與實測結(jié)果對比如表6所示。從結(jié)果看，θj-top與θj-bottom仿真結(jié)果與測試結(jié)果的誤差小于10%，從而驗證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖8 1×1單元的芯片結(jié)殼熱阻側(cè)視圖

圖9 θj-top熱阻測試結(jié)果

圖10 θj-top熱阻測試結(jié)果

表6 結(jié)殼熱阻仿真與實測結(jié)果對比

4結(jié) 束 語

通過上述分析，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

a）芯片的尺寸越大，θj-top和θj-bottom越小。隨著芯片尺寸的增大，熱阻減小的幅度越大。設(shè)計與芯片尺寸匹配的基板和熱沉能夠最大化兼顧成本和散熱效率。

b）θj-top隨著熱沉材料的熱導(dǎo)率的升高而降低，但并不是一個線性的關(guān)系。材料4J42與AlSiC的熱導(dǎo)率相差10倍，但是熱阻只相差30%。

c）θj-top中導(dǎo)熱膠的熱導(dǎo)率占比很大，結(jié)到殼頂?shù)臒嶙桦S著導(dǎo)熱膠材料的熱導(dǎo)率的升高而降低。

d）對1×1單元的芯片的典型器件進(jìn)行了熱阻測試，并將測試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明，θj-top和θj-bottom的仿真結(jié)果與測試結(jié)果之間的誤差小于10%，從而驗證了仿真結(jié)果的正確性。

審核編輯：郭婷