一文詳解提高芯片級封裝集成電路熱性能的方法

在便攜式電子市場，電源管理集成電路（PMIC）正在越來越多地采用球柵陣列（BGA）封裝和芯片級封裝（CSP），以便降低材料成本，改進器件的電性能（無焊線阻抗），并且實現(xiàn)更小的外形尺寸。但是這些優(yōu)勢的取得并不是沒有其他方面的妥協(xié)。芯片級封裝的硅片不再直接與用于導(dǎo)電和導(dǎo)熱的較大散熱板（E-PADs）接觸，由于IC基板不再與E-PAD接觸，從IC基板到散熱印刷電路板（PCB）銅面之間沒有高導(dǎo)熱性的直接連接，這是性能受到影響的主要原因。本文將討論在PCB級使用的降低CSP器件工作溫度的方法，并通過降低在設(shè)計中使用的CSP集成電路熱阻來探尋將熱量從熱源傳輸?shù)街車h(huán)境的方法。通常有多種方式可以提高性能，同時降低工作溫度，這可以通過采用新的印刷電路板或者更改現(xiàn)有電路板來實現(xiàn) 。

便攜式電子設(shè)計中由于尺寸和重量的限制，要求設(shè)計人員必須減少電子元器件的尺寸和用于PCB連接其他電子設(shè)備的區(qū)域大小，為了滿足這些需求，采用CSP封裝來減小所需要的PCB面積是在設(shè)計中所常見的變化。由于總PCB面積減小，可用于擴散熱量和部設(shè)高功率PCB走線的選項隨之減少。而且，QFN封裝與一個同等CSP封裝進行比較，其散熱性能也不匹配。因此，當(dāng)務(wù)之急是要對PCB設(shè)計進行優(yōu)化以使熱量從CSP傳輸至PCB，再由PCB擴散到空氣中。測量熱傳導(dǎo)率的參數(shù)是結(jié)到周圍環(huán)境的熱阻指標(biāo)Theta-JA （θJA （℃/W））。

作為參考，在使一個典型的QFN封裝E-PAD（3x3mm2）與一個具有0.4mm間距的CSP器件連接時，為了匹配傳熱所用的面積大小，需要連接將近30個CSP引腳以便維持同等的由E-PAD面積決定的散熱能力。對于一個精心設(shè)計的PCB，在同一電氣負載條件下把相同的硅器件焊接到類似的印刷電路板時，θJA數(shù)據(jù)大小可從CSP封裝的45℃/W到等效QFN封裝的25℃/W（來源于IDT P9023無線充電接收器的參考數(shù)據(jù)），比同等QFN相比，這樣的差異意味著CSP將會工作在更高的溫度下。一個采用CSP封裝的IC在與具有相同功耗的QFN相比時，其散熱性能通常僅有后者的一半。因此，對于一個精心計劃的PCB設(shè)計，如果沒有進行合適的補償，CSP封裝的熱性能可以很容易地比同等QFN壞兩倍。

對于一個封裝好的IC，其工作溫度通常由三個因素決定：對流、傳導(dǎo)和實現(xiàn)一定性能所消耗的功率。在采用熱阻參數(shù)對于CSP IC進行熱分析計算時，應(yīng)該注意到計算是基于對IC到PCB之間散熱通孔（via）數(shù)量的估計，每個連接都可形成用于把熱量從IC半導(dǎo)體結(jié)導(dǎo)出的散熱路徑。這些估算假定IC安裝到由JEDEC標(biāo)準(zhǔn)51所限定的3“×4.5”的固體銅4層印刷電路板上，而在實際應(yīng)用中，PCB設(shè)計所占面積通常比較小，具有切口部和其他不規(guī)則形狀因素，并且有許多組件、多個路徑和電連接，這與JEDEC標(biāo)準(zhǔn)相比會使PCB熱性能下降。

設(shè)計者面臨的一個常見的困境是如何把在IC上產(chǎn)生的熱量通過PCB傳輸?shù)娇諝庵?，在散熱路徑上具有最小的溫度下降?/p>

圖1：展示熱傳輸?shù)馁N裝CSP封裝器件PCB剖面圖

在圖1中，每個連接到元器件測端的焊盤以及每個盤上散熱孔道（via-in-pad）都可以把芯片產(chǎn)生的熱量傳輸?shù)絇CB銅面上。盤上散熱通孔的設(shè)計以及數(shù)量，以及散熱通孔直接接觸的銅板面積都會影響散熱路徑的效率。所開發(fā)的IC引腳間距會影響孔的大小，而且與可用來經(jīng)過散熱通孔（即銅平面或布線）把熱傳輸?shù)姐~表面的銅體積成正比（可把散熱通孔認為是中空的傳熱銅圓柱體）。此外，盤上散熱通孔在電鍍（electro-plating）完成后，在均勻地處理表面以便放置CSP器件之前需要填充一些非導(dǎo)電或?qū)щ姴牧?。通孔填充材料被“注入”入孔，其填充比例常常是制造者根?jù)孔徑而優(yōu)化。用作后端填充（back-fill）通孔的導(dǎo)電填充材料通常具有比銅高的電和熱阻性能，由于盤上散熱通孔中的銅具有較低的熱阻和電阻，所以填充材料對熱性能只有很小的影響。另外，大多數(shù)的導(dǎo)電材料具有比銅高的熱膨脹系數(shù)，可能導(dǎo)致通孔壁破裂。由于這些原因，在大批量生產(chǎn)階段一般只用非導(dǎo)電材料填充，但隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)的進一步發(fā)展，導(dǎo)電材料的性能可能開始大幅超越非導(dǎo)電材料，而不會出現(xiàn)良率降低的風(fēng)險。

圖2：從CSP器件引腳到PCB和盤上通孔的熱量傳輸路徑

根據(jù)一階熱流和熱傳導(dǎo)原理，影響熱流從熱源傳輸?shù)揭欢w積材料的主要因素是與源之間的距離、橫截面（銅連接）以及熱源和體積之間的溫度差1：

雖然這種簡單的近似可能不會解決目前的問題，但它表明，為了傳輸更多的熱量，截面面積應(yīng)該盡可能大，而熱流經(jīng)過的路徑長度則盡可能小。要保持最大限度的熱流，重要的是橫截面積與到表面（如銅面）的銅連接長度的比值。

通過考察圖2可以發(fā)現(xiàn)，垂直方向的傳能傳輸受三個平行的熱阻影響，Q1為通孔壁的銅，并且是最有效的熱傳輸。Q2為盤上通孔填充材料，Q3則為通過FR-4材料的熱流。幾種用來優(yōu)化熱流動的方法包括：使通孔直徑（d）盡可能大，以便最大限度地增大構(gòu)成通孔壁的銅的體積（求解圓柱體的體積）；在盡可能多的盤上通孔內(nèi)層上附著盡可能多的銅，并且使這些通孔與平行層連接，以增加銅連接體積（每增加一個通孔連接的內(nèi)層可以增大可用來散熱的體積）。

一旦焊盤上通孔到達被用來完成電連接的PCB層，盡量端接層上的銅布線，使產(chǎn)生的熱量有足夠多的銅去傳導(dǎo)和擴散。在CSP封裝下，硅片基底的熱阻應(yīng)比焊盤上通孔的熱阻低得多，焊盤上通孔會把熱量從PCB上元件側(cè)端傳導(dǎo)到任何其它層，CSP封裝在整個體積內(nèi)將近似為等溫（isothermal）（上下幾度范圍）。因此，即使某個引腳的信號只有較小的電流或在IC內(nèi)部物理位置上沒有靠近發(fā)熱源，每個CSP引腳應(yīng)當(dāng)被認為同等地連接到熱源，并且能夠從IC傳輸同等的熱量。有了這個概念，如果每個CSP引腳連接到同樣大小的銅，它們則能夠傳輸相同的熱量，連接到CSP的每個連接都應(yīng)該使用最大面積銅平面或者盡可能厚的銅布線（例如2盎司銅重量而不是1盎司），以便最大限度地提高PCB的散熱能力。

圖3：部設(shè)在一個4層PCB上的IDT P9028 CSP器件，所示為第3層（中間第2層）

上面圖中所示為PCB上從元器件側(cè)開始的第三層，不論布線傳導(dǎo)的電流大小，每個盤上通孔的銅表面區(qū)域都有連接并且最大化。布線中被保持“薄細”的地方是那些不與盤上通孔直接接觸并連接到IC中的部分。這些可以通過較大直徑的孔（灰色圓圈）相對于位于CSP封裝下方較小直徑（較小直徑是由于0.4 mm的IC引腳對引腳間距）的盤上通孔來區(qū)分，只允許0.254mm（10mil ）焊盤和0.127mm（5mil）直徑（d，見圖2）。在本例的PCB布局中，針對/ENABLE、TS、FOD2的信號每個最多將只有不到1mA的電流，但布線可以故意加寬，以便利用盤上通孔連接所具有的導(dǎo)熱能力，盤上通孔還連接到CSP封裝。

這里重新考慮一下等式1，熱量的流動受熱源到散熱面或散熱層距離（L）的影響。簡單地檢查一下銅和FR-4的熱導(dǎo)率值可以證明，銅（熱導(dǎo)率406 （W/（m‘K）） ）在傳遞熱量方面比FR-4（熱導(dǎo)率為0.1 到 1 （W/（m’K）））優(yōu)越。然而，當(dāng)距離（L或電介質(zhì)的厚度）相對于面積很小時對于一個最佳的PCB設(shè)計，頂層PCB的整個表面應(yīng)該具有近乎均勻的溫度，而底層溫度將盡可能接近于頂層，這是使熱量從PCB電路上傳輸?shù)娇諝庵校ɑ騊CB所處的其它介質(zhì)）的最佳設(shè)計點（最小溫度下降），此時PCB兩側(cè)都可以作為傳熱表面。

此外，在使用寬厚的銅平面時，因為銅平面具有高導(dǎo)熱性，熱量會水平地傳輸，并且均勻地加熱銅平面，使整個區(qū)域的溫度提高，這有助于在每個平面使熱量均勻地分布。一旦實現(xiàn)熱量均勻地分布，減小電介質(zhì)厚度并通過改善PCB層到層之間的傳熱，層到層之間的表面溫度會彼此接近。因此，就CSP芯片的整體工作溫度而言，如果所有其他變量保持不變，具有更薄電介質(zhì)厚度的PCB將勝過具有較厚電介質(zhì)的PCB。

降低CSP器件工作溫度的最終和最有效的方法來是使在PCB元件側(cè)與IC接觸的銅的用量最大化。PCB的元件側(cè)由于接近周圍環(huán)境，是電路板上能夠最有效地將熱量從PCB散開的一層。任何內(nèi)層的熱量必須經(jīng)過PCB表面才可以得到擴散。因此必須升高表面的溫度以便熱流從PCB散開。可以用另一種方法來分析表面銅能夠最有效傳遞熱量的事實，即對靠近熱源的銅面積與熱路徑長度的比值進行比較。確定最有意義熱路徑的關(guān)鍵是找出那些具有最大比值的路徑，這些路徑是累積性的，可以計算出這些路徑的數(shù)量并累加，這是計算個體潛在的熱阻以及累積傳熱能力的簡單比較值的一種方式。以一個6x6陣列的36引腳CSP器件為例，假設(shè)IC有8個GND引腳，而且每個都直接連接到GND面?？紤]到較薄的通孔壁以及相對較長的到下一層的距離，在與一個連接到PCB元件側(cè)銅表面的0.254mm長布線進行比較時，通孔的面積長度比（A/L （m2/m）較大。例如，一個0.152mm直徑的通孔形成了一個長度為0.47mm的圓柱體，每個無限薄圓筒環(huán)將是大約13.9nm（假設(shè)通孔壁厚鍍層為25μm厚），這將有29μ的熱傳遞比值（A/L）?，F(xiàn)在計算一個具有較短側(cè)端布線元件與一個散熱平面的熱傳遞比值，長度為0.254mm，含有1盎司銅，寬度為0.254mm，所得到的熱傳遞比值為35μ（A/L）。短的銅布線具有更高的熱傳遞比值，因此比通孔能夠傳遞更多的熱量?，F(xiàn)在考慮8個 GND通孔，如果CSP器件21個四周引腳中的10個能夠連接到寬的銅表面，總的焊盤上通孔熱比值將是280μ相對于350μ。因此，與可用于直接連接到銅平面的可用焊盤上通孔數(shù)量相比，PCB元件側(cè)的連接有較大的熱路徑比值，并且通常具有更多可連接到可用散熱面的連接。

工作溫度是環(huán)境溫度與傳輸和擴散所產(chǎn)生的熱量而導(dǎo)致溫度上升的疊加結(jié)果。通過優(yōu)化PCB設(shè)計， CSP器件產(chǎn)生的熱量經(jīng)過傳導(dǎo)能夠盡可能均勻地擴散到盡可能寬廣的區(qū)域，致使IC封裝的溫度、PCB表面的溫度、以及環(huán)境溫度之間具有最小的溫度差，可以實現(xiàn)對流效率的最大化，從而實現(xiàn)最佳的熱性能。由于CSP封裝功率器件沒有直接的基板到PCB連接（如QFN封裝的E-PAD），熱量的流動必須一個引腳到一個引腳地考慮。對于CSP器件，考慮到硅片具有幾乎相同的溫度（1-2攝氏度以內(nèi)溫差），從每個引腳到基板的熱路徑幾乎是相同的。因此，每個引腳連接都應(yīng)該仔細檢查，并加強銅的連接，以便優(yōu)化從集成電路到正在開發(fā)或者修改的PCB的散熱性能。由于外圍引腳沒有較薄的通孔，而且具有大量的四周引腳，印刷電路板的元件側(cè)是實現(xiàn)熱傳遞的最有效途徑。不論節(jié)點上的電流大小，所有的四周引腳應(yīng)該連接有空間所能允許的寬銅布線，也不可忽視電流承載要求。最后，焊盤上通孔可用來把每個內(nèi)引腳連接到較寬的空間所允許的銅表面或布線，多層設(shè)計降低了工作溫度也實現(xiàn)了更薄的PCB。