芯片封装及其热特性分析

电子产品中，信号的连接有6个等级，分别为：

0级连接：晶圆内部门电路之间的连接；

1级连接：晶圆与封装外围电路之间的连接；

2级连接：元器件与单板之间的连接或元器件与元器件之间的连接；

3级连接：PCB之间的连接，如装有多块单板的背板或主板；

4级连接：子系统之间的连接，如插箱；

5级连接：独立系统之间的连接，如网线连接。

图5-12 各级连接示意图

芯片封装热特性一般只涉及1级连接和2级连接（图5-13），但对于一些超高功率密度、需要在芯片内部实施微纳尺度冷却通道的芯片还需要考虑0级连接。

图5-13 典型PBGA封装元器件的一级连接和二级连接

在分别分析各类常见封装形式的热特性之前，我们先对典型芯片的内部组成物质（可以参考图5-13）进行定性的热分析：

1)芯片结（或晶圆，die）：硅或砷化镓材料，芯片内部主要发热源，导热系数 ~102W/m.K；

2)粘结剂 （Die Attach）：将die固定到焊盘上的中间介质，导热系数较低，可以添加高导热填料（银）增加导热系数，导电银浆就是一种常用的粘接剂。粘接剂的导热系数~100 W/m.K；

3)芯片焊盘（Die Pad）：一般是铜材，有热扩展和机械固定的作用，导热系数 ~102W/m.K；

4)键合线（Bond Wire）：金或铝制，数目等同于外面管脚数，信号传输、热量传输，有些封装形式中芯片没有键合线（如FC-BGA封装）。导热系数 ~102W/m.K；

5)基板（Substrate）：类似于小尺寸的单板，有些芯片没有基板。与单板类似，基板的导热系数是各项异性的，水平方向~101W/m.K，厚度方向~10-1W/m.K（单板的相关热特性会在本章第六节详细阐述）；

6)引脚（Lead frame）：铜金或铝制，和内部的键合线一一对应，信号传输，热量传输，有些芯片没有引脚（图5-13中的PBGA封装就没有引脚，元器件与单板之间的连接通过焊球实现）。导热系数 ~102W/m.K；

7)焊球（Solder ball）：通常材料为锡铅合金95Pb/5Sn或37Pb/63Sn，有些芯片没有焊球（如图5-9所示的两种封装形式，元器件与单板之间的连接通过引脚实现）。导热系数~101 W/m.K；

8)密封材料（Encapsulant）：有金属、陶瓷、塑料三种，塑料最为常用，外围的、保护晶圆的材质，有些芯片(如裸die封装的芯片)没有密封材料。密封材料的导热系数和材料类型紧密相关，塑料封装导热系数~10-1W/m.K，金属或陶瓷封装则可高达数十甚至上百W/m.K。

注：上述各个组成部分的材料参数参考的是典型元器件中可能出现的物质。部分特殊的封装，材料类型及性质可能会有变化。

建立了芯片各组成部分的导热系数量级概念之后，再来审视不同封装形式元器件的热特性就变得简单了。当前常见的元器件封装形式及其热特性列示如下：

5.1 BGA—Ball Grid Array Package 球栅阵列式封装

BGA封装是当前高集成度芯片最常用的封装，几乎所有高端IC均在使用这一封装。BGA封装的最显著特征是其二级连接是以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装晶圆下面，并且以二维分布的形式阵列开来。

根据晶圆外围封装材料和基板材质的不同，BGA封装又分为如下三种：

塑料球形封装（Plastic Ball Grid Array Package，图5-13）：晶圆外围包覆材料为塑料，基板为常见FR4基板，由于塑料导热系数低，热阻相对较高；

陶瓷球形封装（Ceramic Ball Grid Array Package）：使用陶瓷基板，结板热阻相对较低；

裸die封装（图5-14）：晶圆外围不再包覆材料，而是直接裸 露在外，结壳热阻极低。

图5-14 典型裸die封装各组成部分

BGA封装与单板之间的连接点是二维的形式，连接面更广，从热的角度上讲，相当于传热面积更大，因此结板热阻相对也低。另外，结到单板上的热阻可以通过在基板上施加热过孔，在基板底侧正对芯片结之处亦可施加铜片来进行降低。裸die封装的BGA芯片，芯片结直接暴露在外，最大程度降低了结壳热阻。

5.2 TO——Transistor Outline Package晶体管外形封装

TO封装是较早期的封装形式，多用在电源开关芯片。从热特性角度上分析，TO封装的元器件有如下特征：

1)       插针接触单板，插针与芯片结通过键合线连接，热量传递有限，通过单板的散热阻力较大；

2)       芯片结外层往往包裹塑胶材料，故塑胶侧热阻较高；

3)       金属侧热阻较低，是主要的传热路径；

4)       TO封装的结板热阻非常难定义，或者说，其值受工况影响较大。

图5-15 TO封装元器件示意图

5.3 QFP---- Quad Flat Pack 四边扁平封装

四边扁平封装的元器件，其二级连接是一维分布，即只分布在芯片四边。四周管脚通过键合线与内部晶圆进行一一对应连接，管脚另一侧连接到单板上。

图5-16 QFP封装外形示意及典型内部结构和材料分布简图

从热特性角度分析，QFP封装的元器件有如下特征：

1)热阻高，引脚成为传热的重要途径（一般仍