集成電路封裝高密度化與散熱問題

 
曾理，陳文媛，謝詩文，楊邦朝 
（電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院 成都 610054） 

1 引言

數(shù)字化及網(wǎng)絡(luò)資訊化的發(fā)展，對(duì)微電子器件性能和速度的需求越來越高，高階電子系統(tǒng)產(chǎn)品，如服務(wù)器及工作站，強(qiáng)調(diào)運(yùn)算速度和穩(wěn)定性，而PC機(jī)和筆記本電腦對(duì)速度及功能需求也不斷提高，同時(shí)，個(gè)人電子產(chǎn)品，如便攜式多媒體裝置、數(shù)字影像裝置以及個(gè)人數(shù)字處理器（PDA）等的顯著需求，使得對(duì)具有多功能輕便型及高性能電子器件的技術(shù)需求越來越迫切。此外，半導(dǎo)體技術(shù)已進(jìn)入納米量級(jí)，可在IC芯片上制造更多的晶體管，也使得摩爾定律能繼續(xù)維持，基于輕便而需整合功能的需求，IC設(shè)計(jì)技術(shù)上，目前也朝著系統(tǒng)單芯片（SOC）方向發(fā)展。

另一方面，從IC封裝技術(shù)的發(fā)展來看，也朝向精密及微型化發(fā)展，由早期的插入式封裝到表面貼裝的高密度封裝、封裝體與印制電路板的連結(jié)由側(cè)面的形式逐漸發(fā)展成為面陣列形式，芯片與封裝的連結(jié)也由絲悍形式發(fā)展為面陣列形式的倒裝芯片封裝，而IC封裝也朝向SIP發(fā)展，然而，在此發(fā)展趨勢(shì)中，最大的障礙之一來自于熱。熱主要是由IC中晶體管等有源器件運(yùn)算時(shí)所產(chǎn)生的，隨著芯片中晶體管的數(shù)目越來越多，發(fā)熱量也越來越大，在芯片面積不隨之大幅增加的情況下，器件發(fā)熱密度越來越高，過熱問題已成為目前制約電子器件技術(shù)發(fā)展的瓶頸，以CPU為例，其發(fā)熱量隨著速度的提高而逐漸增加，目前已達(dá)115W以上，相對(duì)的發(fā)熱密度也大幅度增加。

為順應(yīng)熱的挑戰(zhàn)，CPU的封裝形式也在不斷變化，以尋求更佳的散熱形式，而散熱模塊所采用的強(qiáng)制空氣冷卻器也不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)提高性能，然而由于發(fā)射量的不斷提高，與之相匹配的散熱技術(shù)卻未及時(shí)趕上，使得CPU的發(fā)展逐漸面臨重大的瓶頸，終于促使Intel等公司不得不從設(shè)計(jì)上轉(zhuǎn)變或犧牲某些附加功能而非一味追求運(yùn)算頻率的提高，另一方面，即使是存儲(chǔ)模塊也逐漸面臨熱的問題，根據(jù)ITRS預(yù)估：2006年每只DRAM的發(fā)熱量將從1W左右增加到2W，為了擴(kuò)大存儲(chǔ)模塊容量，目前許多公司開始采用3D堆疊形式的封裝，雖然提高了芯片的應(yīng)用效率，但也使熱的問題越來越顯著，據(jù)統(tǒng)計(jì)，由熱所引起的失效約占電子器件失效的一半以上。溫度過高除了會(huì)造成半導(dǎo)體器件的損毀，也會(huì)造成電子器件可靠性降低及性能下降，對(duì)于熱問題的解決，必須尋求由封裝級(jí)、PCB級(jí)到系統(tǒng)級(jí)的綜合解決技術(shù)方案。由于封裝級(jí)進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，不但效果最顯著而且成本也最少，因此，封裝級(jí)的散熱設(shè)計(jì)更顯得非常重要。

2 SIP發(fā)展及其散熱問題

SIP技術(shù)是目前IC封裝發(fā)展的必然趨勢(shì)，SIP和SOC的概念不同，SOC是以IC前端制造技術(shù)為基礎(chǔ)。而SIP則是以IC后段制造技術(shù)為基礎(chǔ)，SOC又稱系統(tǒng)單芯片、具有功耗小、性能高及體積小等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)單芯片在集成不同功能芯片時(shí)，芯片制造上尚面臨著一些有待克服的問題，其技術(shù)發(fā)展目前尚不完全成熟，產(chǎn)業(yè)的投入風(fēng)險(xiǎn)較高，因此產(chǎn)生了SIP的概念，目前對(duì)SIP的定義仍有許多不同的說法，SIP的廣義定義是：將具有全部或大部分電子功能，可能是一系統(tǒng)或子系統(tǒng)也可能是組件，封裝在同一封裝體內(nèi)，如圖1所示，在本質(zhì)上，系統(tǒng)級(jí)封裝不僅是單芯片或多芯片的封裝，同時(shí)可含有電容、電阻等無源器件，電子連接器、傳感器、天線、電池等各種元件，他強(qiáng)調(diào)功能的完整性，具有更高的應(yīng)用導(dǎo)向性。

目前，SIP的形式可說是千變?nèi)f化，就芯片的排列方式而言，SIP可能是2D平面或是利用3D堆疊，如圖2（a）所示，或是多芯片封裝以有效縮減封裝面積，如圖2（b）所示；或是前述兩者的各種組合，如圖2（c）所示，和多芯片模組封裝的定義不大相同，其內(nèi)部結(jié)合技術(shù)可以是單純的絲線接合，也可使用倒裝芯片接合，也可以兩者混用，甚至還有用TAB或其他的芯片級(jí)內(nèi)部連接，或是上述方式的混合，更廣義的SIP還包含了內(nèi)埋置無源器件或有源器件的功能性基板結(jié)構(gòu)，以及包含光電器件集成為一體的設(shè)計(jì)等。 

 
   
 

由SIP結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的散熱問題大致有以下幾點(diǎn)：

1）芯片堆疊后發(fā)熱量將增加，但散熱面積并未相對(duì)增加，因此發(fā)熱密度大副提高；

2）多芯片封裝雖然仍保有原散熱面積，但由于熱源的相互連接，熱耦合增強(qiáng)，從而造成更為嚴(yán)重的熱問題；

3）內(nèi)埋置基板中的無源器件也有一定的發(fā)熱問題，由于有機(jī)基板或陶瓷基板散熱不良，也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的熱問題；

4）由于封裝體積縮小，組裝密度增加，使得散熱不易解決，因此需要更高效率的散熱設(shè)計(jì)。

評(píng)估IC封裝熱傳導(dǎo)問題時(shí)，一般采用熱阻的概念，由芯片表面到環(huán)境的熱阻定義如下： 

 

其中Tj是芯片界面溫度，Ta是環(huán)境溫度，P是發(fā)熱量。

熱阻大表示器件傳熱阻抗大，熱傳困難，因此較容易產(chǎn)生熱的問題，熱阻小的表示器件傳熱較容易，因此散熱問題較小，除了幾個(gè)不同熱阻值的定義之外，還有熱傳特性參數(shù)等定義，了解不同熱阻的定義及用途，對(duì)于電子熱傳設(shè)計(jì)非常重要，不同熱阻組成的熱阻網(wǎng)絡(luò)，可分析器件熱傳特性。

分析SIP封裝時(shí)，兩類重要的結(jié)構(gòu)特性分別是3D堆疊芯片封裝及多芯片封裝，對(duì)散熱都有顯著的影響，在傳熱分析上和單芯片封裝的概念是相同的，都可以用熱阻網(wǎng)絡(luò)來解析，3D芯片堆疊封裝或多芯片封裝則較為復(fù)雜。以散熱路徑來看，封裝中芯片產(chǎn)生的熱主要分成向上和向下兩部分，向上部分的熱會(huì)透過封裝上表面?zhèn)鬟f到環(huán)境空間，向下的熱則是透過PCB或陶瓷基板傳遞到環(huán)境空間。在自然對(duì)流條件下可假設(shè)封裝產(chǎn)生的熱大部分都往下傳，因此向上的熱阻路徑可以忽略，對(duì)于3D芯片堆疊而言，熱源是以串聯(lián)方式增加，因此器件發(fā)熱密度相應(yīng)增如，圖3（a）所示，而多芯片封裝則有不同的熱阻網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并聯(lián)的熱源使發(fā)熱密度大幅度增加，如圖3（b）所示，分析結(jié)果顯示，對(duì)相同發(fā)熱量的芯片而言，堆疊芯片封裝中越下方的芯片越低，而多芯片封裝中相同尺寸的芯片溫度會(huì)比較接近。

對(duì)于SIP封裝而言，若要從內(nèi)部傳出熱量，必須縮短傳熱路徑或減少路徑中的熱阻。這可通過由改變布局設(shè)計(jì)或是封裝結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，也可由增加材料熱傳性能來實(shí)現(xiàn)，另外則可由外加均熱片或散熱片來降低熱源的集中，以圖4的例子而言，當(dāng)環(huán)境對(duì)流明顯時(shí)，可把產(chǎn)生最熱的芯片放置在最外面的內(nèi)插板上來增加和空氣接觸的面積，或者通過提高內(nèi)插板的熱傳導(dǎo)系數(shù)，甚至使用較薄的內(nèi)插板和芯片，可以降低熱阻和增強(qiáng)封裝結(jié)構(gòu)熱的性能，此外也可使用散熱通道來降低芯片表面到空氣的熱阻。  


  
  
 

對(duì)于SIP熱傳而言，如果使用有機(jī)材質(zhì)的基板，則其熱傳導(dǎo)性很低，因此熱阻很大，基板的散熱設(shè)計(jì)就顯得相對(duì)重要，可通過增加銅箔層或是散熱通孔來增強(qiáng)效果。對(duì)于SIP的熱傳問題，目前的相關(guān)研究并不多，例如圖5是Amkor公司開發(fā)的利用兩個(gè)芯片SIP的封裝技術(shù)的DC-DC變換器的結(jié)構(gòu)，在散熱設(shè)計(jì)上利用陷入陣列（Land Grid Array；LGA）的封裝結(jié)構(gòu)。在熱通孔里鍍上銅（Cu）以加強(qiáng)基底的熱傳散熱效果，進(jìn)而得到較高的熱性能，由圖6的ANYSY熱傳分析解決顯示，其較高溫度的地方出現(xiàn)在兩個(gè)芯片所在的地方，由于采用了合理的散熱設(shè)計(jì)，使得發(fā)熱問題得到很大的改善。 


  
  
 

圖7（a）及圖7（b）所示的分別是Toshiba公司同樣對(duì)并列芯片和堆疊兩芯片的SIP結(jié)構(gòu)所做的熱分析結(jié)果，由圖中看出，其在自然對(duì)流空氣中，并列芯片的SIP溫度分布比堆疊的SIP有較顯著的均勻溫度分布，而堆疊的SIP其高溫溫度值較集中在芯片的附近，越遠(yuǎn)離芯片處則溫度越低，然而就芯片周期的溫度分布強(qiáng)調(diào)來看，堆疊的SIP所造成的高溫強(qiáng)度相對(duì)強(qiáng)很多。 

3 存儲(chǔ)器封裝的發(fā)展趨勢(shì)及散熱問題

目前的DIMM封裝量產(chǎn)形式仍是以DIP、SOP/TSOP、QFP/TQFP等傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)為主，往SDRAM及大多數(shù)DDR SDRAM均采用TSOP II封裝，但隨著DDR SDRAM的時(shí)鐘頻率的提高，且為滿足產(chǎn)品輕、薄、短、小與系統(tǒng)整合的需求，各種樣式的封裝結(jié)構(gòu)不斷推陳出新，逐漸開始采用了CSP標(biāo)準(zhǔn)的封裝，如μBGA、Tiny BGA、Window BGA、圓片級(jí)封裝（Wafer Level Chip Scale Package，WLCSP）和FPGA等，而為了增加組裝密度，各式的3D堆疊式封裝也漸漸受到重視，目前應(yīng)用最多的除了PC機(jī)NB的存儲(chǔ)模塊之外，許多應(yīng)用在便攜式裝置上的封裝形式已開始采用芯片堆疊的形式，從發(fā)熱量來看，閃存及SRAM的發(fā)熱量很小，散熱問題不大，但是在高速的DIMM模塊中，目前發(fā)熱量為0.5W/Package，隨著時(shí)間的推移，到DDR II規(guī)格時(shí)的發(fā)熱量會(huì)高達(dá)1.0W/Package以上，熱傳導(dǎo)所造成的問題將逐漸被凸現(xiàn)出來，由于存儲(chǔ)器模塊體積有限，因此散熱設(shè)計(jì)相對(duì)較為困難，加上系統(tǒng)內(nèi)部風(fēng)流場(chǎng)常受其他裝置阻擋破壞，因此如何利用封裝自身的結(jié)構(gòu)的特性來提高散熱能力，將直接決定存儲(chǔ)模塊性能的優(yōu)劣。

目前新一代的存儲(chǔ)器封裝開始采用Windows BGA的形式，與一般TSOP封裝的體積相比足足小了約50%，因此在相同面積的SO-DIMM PCB板上，可多放置一倍的存儲(chǔ)器芯片數(shù)，進(jìn)而增加一倍的存儲(chǔ)容量，而Windows BGA在電性上也有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，此外，如圖8所示其內(nèi)部接線也較短。 

 

WLCSP圓片級(jí)芯片封裝方式的最大特點(diǎn)是能有效縮小封裝體積，如圖9所示，WLCSP封裝除了電性優(yōu)異外，相較于FBGA與TSOP封裝，WLCSP少了介于芯片與環(huán)境的傳統(tǒng)密封塑料或陶瓷襯底，同時(shí)也少了介于芯片與PCB間的基板，因此IC芯片運(yùn)算時(shí)的熱量能更有效地散逸，而不致增加封裝體的溫度，而此特點(diǎn)對(duì)于散熱問題幫助極大，也因此WLCSP的熱阻值，無論是Rja、Rjb或Rjc，都較其他形式封裝體小，如圖10所示。 

 

一些存儲(chǔ)器封裝目前也開始朝芯片堆疊或是封裝堆疊的形式發(fā)展，并可有效地整合不同功能的芯片于同一封裝體中，從而大幅度減少了電子組裝的尺寸與體積，更能達(dá)到SIP的功能，此外，若采用散熱錫球、散熱通孔及外露銅箔層的綜合散熱設(shè)計(jì)，則可使3D堆疊封裝的散熱效能大幅度改善。 


 

3D堆疊封裝結(jié)構(gòu)的熱分析如圖11所示，分別為單層、雙層堆疊及三層堆疊的芯片封裝與自然對(duì)流狀態(tài)下的熱流模擬，其發(fā)熱功率設(shè)定為1W/Package，圖11（a）為一般的單層封裝，圖11（b）及圖11（c）則是雙層及三層堆疊形式在自然對(duì)流狀態(tài)下的溫度場(chǎng)分布，由分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，堆疊式封裝體的芯片堆疊數(shù)越多，熱傳問題越嚴(yán)重，堆疊封裝中下層的芯片可由錫球傳導(dǎo)將熱向下傳遞到基板，而上方芯片由于自然對(duì)流散熱效果較差，造成表面溫度較高。

4 CPU封裝的發(fā)展趨勢(shì)及散熱問題

由CPU封裝的發(fā)展角度來看散熱問題是最明顯的例子，以Intel的CPU為例，由早期8086的陶瓷DIP封裝，到486及Pentium的PGA封裝，在功能整合的要求下，雙槽陶瓷PGA發(fā)展成為Pentium Pro CPU的設(shè)計(jì)核心，而Pentium2的OLGA卡式模組的設(shè)計(jì)雖然使功能提高，但也加大了封裝的體積，隨著IC向高密度集成及高密度封裝發(fā)展，目前所有的CPU都已不采用線焊形式的芯片連結(jié)方式以及陶瓷封裝形式，取而代之的是有機(jī)基板封裝及倒裝芯片形式的芯片連結(jié)方式，這使得I/O腳數(shù)更多，電性功能更強(qiáng)，體積更小，成本也更低。

然而，當(dāng)I/O數(shù)持續(xù)增加使焊球焊點(diǎn)數(shù)需激增至數(shù)千個(gè)時(shí)，F(xiàn)C及底膠技術(shù)將面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，如Underfill內(nèi)的空孔，密集的Bump-to-die連續(xù)時(shí)所需處理得Signal、Power、Ground層間連接問題，低介電常數(shù)材料的低熱傳導(dǎo)性等。因此，2001年十月Intel披露其正在發(fā)展新一代的封裝技術(shù)--無焊內(nèi)建層技術(shù)封裝BBUL來替代FC技術(shù)，如圖12（a）所示，圖12（b）則為BBUL的橫剖面結(jié)構(gòu)示意圖，相對(duì)于目前的FC-BGA而言，BBUL技術(shù)并不需通過錫球焊點(diǎn)（Solder Bump）的生成而直接嵌入BT基板中，與FC相比較，由于3μm厚銅墊取代了FC封裝中的90μm Bump的高度，因此整體高度約可縮減至FC的一半；約0.9mm，而這也自然縮短了傳統(tǒng)FC透過Underfill及soledr Bump的傳熱路徑，此外，由于布線長度更短，因此可以直接在表面基層進(jìn)行布線處理。由于不采用Underfill，因此也避免了Underfill內(nèi)部的空孔問題。對(duì)此技術(shù)評(píng)估認(rèn)為可以將CPU上的寄生電感降低至少30%，處理器的功耗也因此可降低至少25%，此外，另一優(yōu)點(diǎn)在于可內(nèi)置多個(gè)芯片在相同的BBUL封裝體中，如將CPU與Chipser同時(shí)埋入相同的封裝體內(nèi)，在熱性能方面，BBUL結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的FC-BGA差異不大，透過數(shù)值軟件的模擬比較，發(fā)現(xiàn)其在散熱上只比FC-BGA差約2.5%，主要是因?yàn)镕C-BGA擴(kuò)散熱的能力較BBUL的增層擴(kuò)散熱量好。BBUL技術(shù)的開發(fā)成功將可使現(xiàn)今的時(shí)鐘頻率提高數(shù)倍，按照Intel的評(píng)估，應(yīng)用BBUL封裝技術(shù)后在未來幾年內(nèi)將設(shè)計(jì)出操作頻率超過20G赫茲的CPU產(chǎn)品。 

 

從散熱角度分析，由于CPU發(fā)熱密度大，因此在設(shè)計(jì)上散熱問題一直占有很重要的地位，從早期的陶瓷封裝到目前的FC-BGA封裝，散熱問題一直起著很重要的作用，在傳統(tǒng)的FC-BGA封裝中，芯片上方結(jié)構(gòu)未加任何散熱裝置時(shí)，熱量的傳遞主要透過襯底及錫球焊點(diǎn)，占了大約80%-90%，如圖13（a）所示，然而，一旦附加輔助的散熱結(jié)構(gòu)（Heat Spreader、Heat Sink、Fan等）后，如圖13（b），則整個(gè)散熱途徑改變，轉(zhuǎn)變成80%-90%通過封裝上表面散逸出去。由于CPU的高發(fā)熱量和封裝器件散熱途徑的改變，使得散熱設(shè)計(jì)的重心也隨之向封裝上邊的路徑轉(zhuǎn)移，并采用強(qiáng)制對(duì)流空冷的散熱模組設(shè)計(jì)，因此散熱的設(shè)計(jì)就集中在從芯片到外殼及外殼到環(huán)境兩個(gè)方面，以下介紹這兩方面的散熱解決策略。

從芯片到外殼封裝是散熱設(shè)計(jì)中最重要的部分，但是由于受限于封裝結(jié)構(gòu)及尺寸，因此目前散熱設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是如何將芯片的發(fā)熱均勻化，而高傳導(dǎo)性的均熱片或是熱管等器件就得到重用，最新技術(shù)的開發(fā)是微型平板熱管4的引入，由于在原理是利用二相流特性，傳導(dǎo)性比銅等金屬要高，其發(fā)展前景很受重視，另一個(gè)重要的應(yīng)用則是利用固態(tài)的微熱量器件做熱點(diǎn)的散熱。

在封裝外殼到環(huán)境的部分，則需考慮如何有效地將熱帶走，傳統(tǒng)氣冷的散熱片加風(fēng)扇的設(shè)計(jì)在熱密度有限的狀況下已逐漸發(fā)展到極限，目前除了整合熱管或是利用高傳導(dǎo)材料以增加氣冷效率之外，許多更高效率的散熱方式也開始研發(fā)，例如單相的液冷或噴流冷卻等。此外，針對(duì)CPU的散熱問題，目前在芯片上也設(shè)計(jì)了溫度傳感器以監(jiān)控溫度變化，對(duì)于風(fēng)扇風(fēng)速也可分段控制，以達(dá)成最佳化的熱管理。 

 

5 結(jié)論與展望

由于IC的運(yùn)算速度越來越高以及功能越來越強(qiáng)，封裝技術(shù)的發(fā)展也十分迅速，而散熱問題也越來越受到重視，尤其是當(dāng)封裝向SIP發(fā)展時(shí)，散熱問題成為備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)，最有效的電子器件散熱解決方案是從封裝級(jí)開始著手，分析傳熱路徑對(duì)器件熱阻的影響，并借助封裝架構(gòu)設(shè)計(jì)及新材料開發(fā)來進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。

展望未來，IC封裝中的熱傳導(dǎo)技術(shù)仍具有重要的地位，散熱設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到芯片的性能與可靠性。如Intel在其技術(shù)論壇中提及，由于線寬進(jìn)入納米尺度時(shí)其漏電流與散熱問題遲遲無法獲得一個(gè)妥善的解決方案，因此暫時(shí)放棄開發(fā)更高主頻率的CPU，而轉(zhuǎn)向發(fā)展雙核心甚至多核心CPU。即使如此，散熱問題也只是暫時(shí)得到緩解，單個(gè)CPU的發(fā)熱量仍然會(huì)持續(xù)增加，散熱面臨的挑戰(zhàn)會(huì)更大。

最后，除了封裝級(jí)的散熱設(shè)計(jì)之外，開發(fā)高性能且低成本的散熱器件的需求也非常迫切，惟有將兩者一起進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，才能產(chǎn)生最佳化的IC器件散熱解決方案。 
 

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