引 言

倒裝陶瓷球柵陣列（FC-CBGA:Flip Chip Ceramic Ball Grid Array）封裝技術是IBM公司開發的一種技術，其采用高熔點90Pb-10Sn合金制作焊料球，通過低熔點共晶焊料63Sn/37Pb連接到封裝體及后續的PCB板上［1，2］。由于該封裝具有優秀的電性能、熱性能和可靠性，因而其應用已相當廣泛。

由于業界缺乏統一的工業標準，且出于技術保密和經濟成本的考慮，器件生產廠商提供的器件內部數據和熱參數非常有限，隨著芯片的制程越來越先進，目前7 nm工藝已經量產，芯片的功率和功率密度越來越高，因此對此類倒裝球柵陣列的詳細熱模型進行分析變得十分必要。

國內對CBGA焊球可靠性的熱分析研究得較多，但是對整個封裝體，尤其是封裝體本身的熱衷研究卻很少。高輝等［3］對多芯片陶瓷封裝的結-殼熱阻分析方法進行了研究，研究了多芯片熱耦合對熱阻的影響；Ravl等［4］對FC-CBGA進行了研究，分析了有蓋板和無蓋板的封裝、不同芯片尺寸和不同熱沉條件下芯片結點與環境之間的熱阻Rja的變化，并按照JEDEC標準進行了實驗；謝秀娟等［5］對裸芯式、平板式和蓋板式3種形式、不同芯片尺寸和不同潤滑劑材料對系統熱阻的影響進行了仿真分析，但是都沒有對FC-CBGA結殼熱阻進行分析研究。

本文針對非氣密倒裝焊陶瓷封裝，擬采用現成的熱阻測試芯片設計典型熱阻測試器件，通過有限元建立三維有限元熱模型，分析芯片尺寸、熱沉和導熱膠材料對FC-CBGA結殼熱阻的影響，通過對一種典型器件的熱阻測試驗證了仿真結果的準確性。

1熱阻測試器件設計

采用單元尺寸為2.54 mm×2.54 mm的熱阻測試芯片（如圖1所示）為基礎，考慮陶瓷基板的加工成本，并同時兼顧芯片尺寸、熱沉蓋板和導熱膠對結殼熱阻的測試研究，定制了一款能夠兼容1×1、3×3和5×5熱阻測試單元的通用的陶瓷基板，熱阻測試用CGA管腳從基板的四周引出，如圖2所示。

非氣密性的FC-CCGA的基礎結構如圖3所示，由圖3中可以看出，其由熱沉、導熱膠、芯片、C4凸點陣列、陶瓷基板和測試管腳銅柱組成。

圖3 非氣密性封裝FC-CBGA結構圖

2非氣密倒裝焊陶瓷封裝熱仿真分析

2.1 模型尺寸參數

三維熱模型的結構尺寸參數如表1所示，非氣密性FC-CCGA不同組成部分的熱參數如表2所示。表1 模型結構尺寸非氣密性FC-CCGA不同組成部分熱參數

表2 非氣密性FC-CCGA不同組成部分的熱參數

2.2 熱仿真邊界條件

結到殼頂θj-top熱阻的仿真設置為：對封裝體設置四周與底部絕熱，蓋板上表面設置固定參考溫度為60℃，不考慮對流和輻射對散熱的影響。

結到殼底θj-bottom熱阻的仿真設置為：不考慮導熱膠對散熱的影響，對封裝體設置四周與頂部絕熱，下表面設置固定參考溫度為60℃，不考慮對流和輻射對散熱的影響。

2.3 芯片尺寸對熱阻的影響

在基板、熱沉尺寸都相同的情況下，分別仿真1×1、3×3和5×5這3種芯片尺寸對陶瓷封裝熱阻的影響，仿真結果如圖4所示，從圖4中可以看出θj-bottom的熱阻比θj-top的熱阻要大一倍左右。從趨勢上看，芯片尺寸越大，θj-top和θjbottom越小。隨著芯片尺寸的增大，熱阻減小的幅度越大。以θj-top為例，芯片從1×1變為3×3時，尺寸增大了9倍，熱阻降低了6.93倍；從3×3變大到5×5倍時，尺寸增大了2.7倍，熱阻降低了2.6倍。

文獻［6］認為，當熱量從窄區域的芯片傳遞到寬截面基板時，熱流是與材料截面成45°角擴散的。從該角度可以分析，對于1×1的芯片，雖然基板和熱沉尺寸很大，但是對降低熱阻有明顯效果的只有45°角對應的區域。因此對于倒裝焊封裝，從散熱角度考慮，設計與芯片尺寸匹配的基板和熱沉能夠最大化兼顧成本和散熱效率。熱阻45°計算方法示意圖如圖5所示。

圖4 芯片尺寸對結殼熱阻的影響

圖5 熱阻45°計算方法示意圖

2.4 熱沉及導熱膠對θj-top的影響

對于非氣密性倒裝焊陶瓷封裝而言，熱沉是最重要的散熱路徑，從上面的分析中可以看出，θj-top比θj-bottom還小很多，熱沉蓋板和導熱膠的材料選擇將直接影響封裝體的散熱效果。

為了研究熱沉蓋板材料對熱阻的影響，選取了5組常使用的熱沉蓋板材料，管殼采用40 mm×40 mm×2 mm的尺寸、陶瓷為A440材料，以5×5單元滿陣列發熱的芯片為研究對象進行結殼熱阻仿真分析。熱沉的材料參數特性如表3所示。

結到殼頂熱阻仿真溫度云圖如圖6所示，熱沉熱導率與結-殼頂熱阻θj-top的關系如圖7所示。從圖7中可以看出，θj-top隨著熱沉材料的熱導率的升高而降低，但兩者之間并不是一個線性的關系。材料4J42與AlSiC的熱導率相差10倍，但是熱阻只相差30%。

導熱膠用于粘接芯片和熱沉，導熱膠的選擇需要考慮固化溫度、粘接強度和熱導率。文中選用兩款常用的導熱膠作為分析對象，其材料特性如表4所示。

圖6 結到殼頂熱阻仿真溫度云圖

圖7 熱沉蓋板熱導率與θj-top影響

因為導熱膠的熱導率較低，對于θj-top導熱膠的熱導率占比很大，具體的表現形式為，結到殼頂的熱阻隨著導熱膠材料的熱導率的升高而降低，如表5所示。 表5 不同導熱膠對應的θj-top值

3典型器件的結殼熱阻測試驗證

對1×1單元的芯片的典型器件使用熱阻測試儀進行結殼熱阻測試，器件測試圖如圖8所示，測試結果如圖9-10所示。結殼熱阻仿真與實測結果對比如表6所示。從結果看，θj-top與θj-bottom仿真結果與測試結果的誤差小于10%，從而驗證了仿真結果的準確性。

圖8 1×1單元的芯片結殼熱阻側視圖

圖9 θj-top熱阻測試結果

圖10 θj-top熱阻測試結果

表6 結殼熱阻仿真與實測結果對比

4結 束 語

通過上述分析，可以得到以下幾點結論。

a）芯片的尺寸越大，θj-top和θj-bottom越小。隨著芯片尺寸的增大，熱阻減小的幅度越大。設計與芯片尺寸匹配的基板和熱沉能夠最大化兼顧成本和散熱效率。

b）θj-top隨著熱沉材料的熱導率的升高而降低，但并不是一個線性的關系。材料4J42與AlSiC的熱導率相差10倍，但是熱阻只相差30%。

c）θj-top中導熱膠的熱導率占比很大，結到殼頂的熱阻隨著導熱膠材料的熱導率的升高而降低。

d）對1×1單元的芯片的典型器件進行了熱阻測試，并將測試結果與仿真結果進行了對比，結果表明，θj-top和θj-bottom的仿真結果與測試結果之間的誤差小于10%，從而驗證了仿真結果的正確性。

審核編輯：郭婷