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 
（電子科技大學微電子與固體電子學院 成都 610054） 

1 引言

數字化及網絡資訊化的發(fā)展，對微電子器件性能和速度的需求越來越高，高階電子系統(tǒng)產品，如服務器及工作站，強調運算速度和穩(wěn)定性，而PC機和筆記本電腦對速度及功能需求也不斷提高，同時，個人電子產品，如便攜式多媒體裝置、數字影像裝置以及個人數字處理器（PDA）等的顯著需求，使得對具有多功能輕便型及高性能電子器件的技術需求越來越迫切。此外，半導體技術已進入納米量級，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設計技術上，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由側面的形式逐漸發(fā)展成為面陣列形式，芯片與封裝的連結也由絲悍形式發(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算時所產生的，隨著芯片中晶體管的數目越來越多，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115W以上，相對的發(fā)熱密度也大幅度增加。

為順應熱的挑戰(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制空氣冷卻器也不斷改進設計提高性能，然而由于發(fā)射量的不斷提高，與之相匹配的散熱技術卻未及時趕上，使得CPU的發(fā)展逐漸面臨重大的瓶頸，終于促使Intel等公司不得不從設計上轉變或犧牲某些附加功能而非一味追求運算頻率的提高，另一方面，即使是存儲模塊也逐漸面臨熱的問題，根據ITRS預估：2006年每只DRAM的發(fā)熱量將從1W左右增加到2W，為了擴大存儲模塊容量，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用效率，但也使熱的問題越來越顯著，據統(tǒng)計，由熱所引起的失效約占電子器件失效的一半以上。溫度過高除了會造成半導體器件的損毀，也會造成電子器件可靠性降低及性能下降，對于熱問題的解決，必須尋求由封裝級、PCB級到系統(tǒng)級的綜合解決技術方案。由于封裝級進行散熱設計，不但效果最顯著而且成本也最少，因此，封裝級的散熱設計更顯得非常重要。

2 SIP發(fā)展及其散熱問題

SIP技術是目前IC封裝發(fā)展的必然趨勢，SIP和SOC的概念不同，SOC是以IC前端制造技術為基礎。而SIP則是以IC后段制造技術為基礎，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，系統(tǒng)單芯片在集成不同功能芯片時，芯片制造上尚面臨著一些有待克服的問題，其技術發(fā)展目前尚不完全成熟，產業(yè)的投入風險較高，因此產生了SIP的概念，目前對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，如圖1所示，在本質上，系統(tǒng)級封裝不僅是單芯片或多芯片的封裝，同時可含有電容、電阻等無源器件，電子連接器、傳感器、天線、電池等各種元件，他強調功能的完整性，具有更高的應用導向性。

目前，SIP的形式可說是千變萬化，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，其內部結合技術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或其他的芯片級內部連接，或是上述方式的混合，更廣義的SIP還包含了內埋置無源器件或有源器件的功能性基板結構，以及包含光電器件集成為一體的設計等。 

 
   
 

由SIP結構所產生的散熱問題大致有以下幾點：

1）芯片堆疊后發(fā)熱量將增加，但散熱面積并未相對增加，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，從而造成更為嚴重的熱問題；

3）內埋置基板中的無源器件也有一定的發(fā)熱問題，由于有機基板或陶瓷基板散熱不良，也會產生嚴重的熱問題；

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計。

評估IC封裝熱傳導問題時，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，除了幾個不同熱阻值的定義之外，還有熱傳特性參數等定義，了解不同熱阻的定義及用途，對于電子熱傳設計非常重要，不同熱阻組成的熱阻網絡，可分析器件熱傳特性。

分析SIP封裝時，兩類重要的結構特性分別是3D堆疊芯片封裝及多芯片封裝，對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，都可以用熱阻網絡來解析，3D芯片堆疊封裝或多芯片封裝則較為復雜。以散熱路徑來看，封裝中芯片產生的熱主要分成向上和向下兩部分，向上部分的熱會透過封裝上表面?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。在自然對流條件下可假設封裝產生的熱大部分都往下傳，因此向上的熱阻路徑可以忽略，對于3D芯片堆疊而言，熱源是以串聯(lián)方式增加，因此器件發(fā)熱密度相應增如，圖3（a）所示，而多芯片封裝則有不同的熱阻網絡架構，并聯(lián)的熱源使發(fā)熱密度大幅度增加，如圖3（b）所示，分析結果顯示，對相同發(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比較接近。

對于SIP封裝而言，若要從內部傳出熱量，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計或是封裝結構實現(xiàn)，也可由增加材料熱傳性能來實現(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，當環(huán)境對流明顯時，可把產生最熱的芯片放置在最外面的內插板上來增加和空氣接觸的面積，或者通過提高內插板的熱傳導系數，甚至使用較薄的內插板和芯片，可以降低熱阻和增強封裝結構熱的性能，此外也可使用散熱通道來降低芯片表面到空氣的熱阻。  


  
  
 

對于SIP熱傳而言，如果使用有機材質的基板，則其熱傳導性很低，因此熱阻很大，基板的散熱設計就顯得相對重要，可通過增加銅箔層或是散熱通孔來增強效果。對于SIP的熱傳問題，目前的相關研究并不多，例如圖5是Amkor公司開發(fā)的利用兩個芯片SIP的封裝技術的DC-DC變換器的結構，在散熱設計上利用陷入陣列（Land Grid Array；LGA）的封裝結構。在熱通孔里鍍上銅（Cu）以加強基底的熱傳散熱效果，進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)在兩個芯片所在的地方，由于采用了合理的散熱設計，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公司同樣對并列芯片和堆疊兩芯片的SIP結構所做的熱分析結果，由圖中看出，其在自然對流空氣中，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，越遠離芯片處則溫度越低，然而就芯片周期的溫度分布強調來看，堆疊的SIP所造成的高溫強度相對強很多。 

3 存儲器封裝的發(fā)展趨勢及散熱問題

目前的DIMM封裝量產形式仍是以DIP、SOP/TSOP、QFP/TQFP等傳統(tǒng)封裝結構為主，往SDRAM及大多數DDR SDRAM均采用TSOP II封裝，但隨著DDR SDRAM的時鐘頻率的提高，且為滿足產品輕、薄、短、小與系統(tǒng)整合的需求，各種樣式的封裝結構不斷推陳出新，逐漸開始采用了CSP標準的封裝，如μBGA、Tiny BGA、Window BGA、圓片級封裝（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，目前應用最多的除了PC機NB的存儲模塊之外，許多應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，隨著時間的推移，到DDR II規(guī)格時的發(fā)熱量會高達1.0W/Package以上，熱傳導所造成的問題將逐漸被凸現(xiàn)出來，由于存儲器模塊體積有限，因此散熱設計相對較為困難，加上系統(tǒng)內部風流場常受其他裝置阻擋破壞，因此如何利用封裝自身的結構的特性來提高散熱能力，將直接決定存儲模塊性能的優(yōu)劣。

目前新一代的存儲器封裝開始采用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器芯片數，進而增加一倍的存儲容量，而Windows BGA在電性上也有相當的優(yōu)勢，此外，如圖8所示其內部接線也較短。 

 

WLCSP圓片級芯片封裝方式的最大特點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，同時也少了介于芯片與PCB間的基板，因此IC芯片運算時的熱量能更有效地散逸，而不致增加封裝體的溫度，而此特點對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計，則可使3D堆疊封裝的散熱效能大幅度改善。 


 

3D堆疊封裝結構的熱分析如圖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流狀態(tài)下的熱流模擬，其發(fā)熱功率設定為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流狀態(tài)下的溫度場分布，由分析結果發(fā)現(xiàn)，堆疊式封裝體的芯片堆疊數越多，熱傳問題越嚴重，堆疊封裝中下層的芯片可由錫球傳導將熱向下傳遞到基板，而上方芯片由于自然對流散熱效果較差，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的設計核心，而Pentium2的OLGA卡式模組的設計雖然使功能提高，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方式以及陶瓷封裝形式，取而代之的是有機基板封裝及倒裝芯片形式的芯片連結方式，這使得I/O腳數更多，電性功能更強，體積更小，成本也更低。

然而，當I/O數持續(xù)增加使焊球焊點數需激增至數千個時，F(xiàn)C及底膠技術將面臨嚴峻挑戰(zhàn)，如Underfill內的空孔，密集的Bump-to-die連續(xù)時所需處理得Signal、Power、Ground層間連接問題，低介電常數材料的低熱傳導性等。因此，2001年十月Intel披露其正在發(fā)展新一代的封裝技術--無焊內建層技術封裝BBUL來替代FC技術，如圖12（a）所示，圖12（b）則為BBUL的橫剖面結構示意圖，相對于目前的FC-BGA而言，BBUL技術并不需通過錫球焊點（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行布線處理。由于不采用Underfill，因此也避免了Underfill內部的空孔問題。對此技術評估認為可以將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)點在于可內置多個芯片在相同的BBUL封裝體中，如將CPU與Chipser同時埋入相同的封裝體內，在熱性能方面，BBUL結構與傳統(tǒng)的FC-BGA差異不大，透過數值軟件的模擬比較，發(fā)現(xiàn)其在散熱上只比FC-BGA差約2.5%，主要是因為FC-BGA擴散熱的能力較BBUL的增層擴散熱量好。BBUL技術的開發(fā)成功將可使現(xiàn)今的時鐘頻率提高數倍，按照Intel的評估，應用BBUL封裝技術后在未來幾年內將設計出操作頻率超過20G赫茲的CPU產品。 

 

從散熱角度分析，由于CPU發(fā)熱密度大，因此在設計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，芯片上方結構未加任何散熱裝置時，熱量的傳遞主要透過襯底及錫球焊點，占了大約80%-90%，如圖13（a）所示，然而，一旦附加輔助的散熱結構（Heat Spreader、Heat Sink、Fan等）后，如圖13（b），則整個散熱途徑改變，轉變成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，使得散熱設計的重心也隨之向封裝上邊的路徑轉移，并采用強制對流空冷的散熱模組設計，因此散熱的設計就集中在從芯片到外殼及外殼到環(huán)境兩個方面，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計中最重要的部分，但是由于受限于封裝結構及尺寸，因此目前散熱設計的重點是如何將芯片的發(fā)熱均勻化，而高傳導性的均熱片或是熱管等器件就得到重用，最新技術的開發(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，傳導性比銅等金屬要高，其發(fā)展前景很受重視，另一個重要的應用則是利用固態(tài)的微熱量器件做熱點的散熱。

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)氣冷的散熱片加風扇的設計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CPU的散熱問題，目前在芯片上也設計了溫度傳感器以監(jiān)控溫度變化，對于風扇風速也可分段控制，以達成最佳化的熱管理。 

 

5 結論與展望

由于IC的運算速度越來越高以及功能越來越強，封裝技術的發(fā)展也十分迅速，而散熱問題也越來越受到重視，尤其是當封裝向SIP發(fā)展時，散熱問題成為備受關注的研究熱點，最有效的電子器件散熱解決方案是從封裝級開始著手，分析傳熱路徑對器件熱阻的影響，并借助封裝架構設計及新材料開發(fā)來進行散熱設計。

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

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

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