大功率高密度系统级封装产品的热设计研究

贵州振华风光半导体有限公司 胡 锐 尹 灿 何永江 陈 媛 任春桥 万启波

半导体集成电路的封装形式从传统的TO、DIP、SOP、QFP、QFN、PGA、BGA到CSP（芯片级封装）再到SOC和SiP（系统级封装），IO数量越来越多，技术指标也越来越先进，随着摩尔定律越来越接近物理极限，SiP技术成为超越摩尔定律的突破点。SiP是指将不同种类的芯片或元件，通过不同技术，混载于同一封装之内，由此在一个封装内可以构建一个系统或子系统。SiP的优势不仅在于尺寸方面，而且能在更小的空间里集成更多的功能，并缩短设计周期和降低开发成本。在进行高密度系统级封装产品设计时，除了要对封装的电学性能和力学性能进行设计分析外，热学设计已经成为高密度系统级封装产品设计中越来越重要的环节。本文结合实际工程，利用专业的热仿真设计软件对一款大功率高密度系统级封装产品进行热分析研究，实现了高效、可靠的大功率高密度SiP产品的热设计。

1 布局设计

大功率高密度SiP产品的热设计主要由封装选择、布局设计、结构设计和材料选择等部分组成。复杂SiP产品的热设计需要对每个环节进行合理规划，并综合考虑各个环节（包括材料和加工工艺）的合理性，以保证整个SiP产品热设计的高效性、可靠性和可制造性。基于产品的IO数量和布局需求等因素考虑，本文中设计的大功率高密度SiP产品封装尺寸为35.00×35.00×5.50(Max)mm，该产品封装采用7颗芯片和若干阻容器件，各个芯片的尺寸、耗散功率及阻容器件的数量和尺寸等具体信息如表1所示。

表1 大功率高密度SiP产品各个组成部分的具体信息

综合考量SiP产品的互连关系和各个芯片之间的功耗等因素，对该SiP产品进行芯片和阻容器件的布局，布局示意图如图1所示。基于SOPC芯片、电源芯片和收发器芯片的耗散功率较大，在产品布局时考量各个芯片之间的热耦合因素，在保证基板互连顺畅和满足可制造性工艺的前提下，尽可能拉大耗散功率比较大的芯片与SOPC芯片之间的布局距离。

图1 产品布局示意图

2 结构设计

基于大功率高密度SiP产品散热角度考虑，本文中所述产品采用FC-CBGA（陶瓷封装）的封装形式（引脚数量1152个），7颗裸芯片全部采用FC工艺进行组装，并在芯片背面增加金属盖增强产品的散热，该SiP产品的外形示意图如图2所示。由于该大功率高密度SiP产品中，裸芯片的最厚尺寸为775μm，远小于该产品中0805电容的厚度1.25mm，因此在设计散热盖板时，为避免盖板与0805的电容接触而发生短路，对于散热盖板部分区域进行挖空处理，使得散热盖板既能与耗散功率大的芯片背面进行接触来增强散热（存储芯片由于耗散功率小，且为了简化盖板加工难度，没有与散热盖板直接接触），又能同时避免与电容接触而造成短路。

图2 产品外形示意图

3 材料选择

封装关键原材料由于热导率等性能参数不一样，对大功率高密度SiP产品的热设计影响较大，表2为本文中所述大功率高密度SiP产品封装关键原材料及其性能参数。其中，热界面材料有三种可供选择，导热胶1、导热胶2和AuSn焊料片，导热胶1和导热胶2的热导率分别为1.92W/mK和4.30W/mK，导热胶2的热导率约为导热胶1的2倍，但其粘结强度为2.8N/mm²，比导热胶1的粘结强度（3.9N/mm²）较差。AuSn焊料由于其优异的热导率和粘结强度无疑是热界面材料的最佳选择之一，但是采用AuSn焊料不仅需要在芯片背面背金，而且需要较高的工艺组装温度（280℃以上），会使得FC芯片和阻容器件互连处发生重融现象，容易造成短路。盖板材料有两种可供选择，Al-SiC盖板和Cu盖板，Al-SiC盖板热导率为180W/mK，比Cu盖板热导率（387.60W/mK）低，但其密度小于Cu的五分之一，能增强器件的板级可靠性。基于产品散热、成本、可靠性和可制造性等因素综合考虑，最终确定，热界面材料选择导热胶1，盖板采用Cu盖板。

表2 大功率高密度SiP产品各个组成部分的具体信息

4 热仿真与分析

基于上述几点分析，对大功率高密度SiP产品建模，并进行仿真分析，该大功率SiP产品的三维模型示意图如图3所示。在进行热仿真前针对该模型设置各个芯片的功耗和设置材料的参数，并对热仿真模型进行网格划分，网格划分质量的好坏，对热仿真结果的影响较大，该SiP产品对三维模型部分区域的网格进行精细划分，使得仿真结果更加精确，网格划分结果如图4所示。依据JEDEC标准之JESD51系列标准，对该SiP产品进行热仿真分析，最大总耗散功率为18.546W，其中SOPC芯片运行时最大耗散功率为15W，电源芯片运行时最大耗散功率为2.326W，收发器芯片运行时最大耗散功率为1.12W，存储芯片运行时最大耗散功率为0.1W，环境温度为25ºC以及相关材料参数如表2所示，仿真结果如图5和图6所示，从图中可以看出，该大功率高密度SiP产品的最大结温均在电源芯片上，这主要是由于电源芯片运行时单位面积上的耗散功率大（0.167W/mm2）所造成的，通过公式(1)和(2)计算得热阻RΘJA为7.95ºC/W，热阻RΘJC(Top)为0.57ºC/W。

图3 产品三维模型示意图

图4 产品网格划分结果

图5 产品热仿真(RΘJA)结果

图6 产品热仿真RΘJC(Top)结果

分别对该大功率高密度SiP产品在不同环境中进行热仿真分析，仿真结果如表3和表4所示，其中表3为该大功率高密度SiP产品在25℃的环境温度下的热仿真结果，表4为该大功率高密度SiP产品在85℃的环境温度下的热仿真结果。对比表3和表4可以发现在SiP产品增加外置散热措施（加散热器和风扇）后，器件的最大结温和热阻RΘJA都会随着外置散热措施的增强(风速从1m/s增加到4m/s)而不断下降。相比自然对流情况下的RΘJA，增加外置散热器和4m/s的风速的情况下RΘJA由原来的7.95ºC/W下降到2.11ºC/W。表3和表4的结果对比表明，随着温度的改变基本上不影响RΘJA（非自然对流）和RΘJC(Top)的值，但是温度从25℃升高到85℃会使得自然对流情况下的RΘJA由原来的7.95ºC/W下降到7.12ºC/W。这主要是由于自然对流情况下，空气的密度、粘度和热容量随着温度的变化而变化较为明显，并且环境温度的升高会使得器件表面的温度升高，从而促进产品的辐射散热，所以自然对流情况下RΘJA的值随着温度的升高而有所下降。此外，由于该大功率高密度SiP产品热仿真结果为在器件运行最大总耗散功率为18.546W时获得，在环境温度为85℃且增加外置散热措施的情况下器件最大结温还较高(124℃以上)。基于表3和表4的仿真结果，建议在器件运行总耗散功率为最大时，在考虑周围运行器件热耦合的情况下，增加有效的外置散热措施（加散热器和风扇）并限制器件运行时的环境温度。

表3 在25℃下的热仿真结果

表4 在85℃的热仿真结果

结论：本文中完成了一款封装形式为FC-CBGA1152的大功率高密度SiP产品的热学设计。分析了该SiP产品热学设计过程中，需要综合考虑的各种因素并进行了仿真分析，分析仿真结果可以得出以下结论：大功率高密度SiP产品的最大结温均在电源芯片上，这主要是由于电源芯片运行时单位面积上的耗散功率大（0.167W/mm2）所造成的；相比自然对流情况下的RΘJA，增加外置散热器和风扇可以显著降低热阻，增强器件的散热；温度的改变基本上不影响RΘJA（非自然对流）和RΘJC(Top)的值，但是温度从25℃升高到85℃会使得自然对流情况下的RΘJA略微降低。由仿真结果建议用户在器件运行总耗散功率为最大时，在考虑周围运行器件热耦合的情况下，增加有效的外置散热措施（加散热器和风扇）并限制器件运行时的环境温度。