芯片封装原理及分类.ppt

qja结 空气热阻 qja最早也是最常用的标准之一定义标准由文件JESD51 2给出Ta 环境空气温度 取点为JEDEC组织定义的特定空箱中特定点 Still AirTest 芯片下印制板可为高传导能力的四层板 2S2P 或低传导能力的一层板之任一种 1S0P qjma结 移动空气热阻 qjma空气流速范围为0 1000LFM定义标准由文件JESD51 6给出Ta 空气温度 取点为风洞上流温度印制板朝向为重大影响因素 N qjc从结点到封装外表面 壳 的热阻 外表面壳取点尽量靠近Die安装区域 qjc结壳热阻 qjb从结点至印制板的热阻定义标准由文件JESD51 8给出 qjb结板热阻 严格地讲 Theta JB不仅仅反映了芯片的内热阻 同时也反映了部份环境热阻 如印制板 正因如些 Theta JB相对于其它热阻而言 虽然JEDEC组织在99年就发布了它的热阻定义方式 但是芯片供应商采用较慢 部份传热路径严重不对称芯片 如TO 263目前尚无该热阻的定义标准 qjx试图采用简单的热阻表示复杂的芯片传热现象芯片内部的热传现象非常复杂 无法使用热阻来完美表示 热阻qjx无法用于准确预测芯片的温度 只能提供定性的热性能对比 如需准确预测特定工况下芯片的温度 我们需要其它的方法 qjx使用的局限性 芯片的详细模型 建立所有芯片内部所有影响传热的结构 热阻网络模型 DELPHI模型 DEvelopmentofLibrariesofPHysicalmodelsforanIntegrateddesignenvironment DELPHI项目 从1993年到1996年 由欧盟资助 Flomerics公司负责协调 AlcatelBell AlcatelEspace PhilipsCFT ThomsonCSF Flomerics NMRC等公司合作 旨在开发芯片的简化热模型的精确表示方法 PROFIT项目 同样由欧盟资助 由Philips公司负责协调 Flomerics Nokia Infineon Philips ST Micred TIMA 等公司合作 旨在开发芯片热模型的快速建立方法 项目产生了一系列成果 如芯片的热阻网络模型DELPHI标准 JEDEC组织认证的唯一热模型库FLOPACK 芯片热应力分析工具Flo stress等 PRedictionOFtemperaturegradientsInfluencingThequalityofelectronicproducts PROFIT项目 DELPHI项目 DELPHI模型生成原理 建立详细模型 标准实验验证 误差估计 在规定的 种边界条件下批处理进行详细模型计算 封装参数 结构 材料参数 根据各种封装特点离散出各种热阻网络拓朴结构 详细模型 发布 简化模型 多种边界条件可以表示自然对流 强迫对流 散热器等多种环境 根据各热阻节点的温度值优化得出具有最小误差的热阻值 DELPHI项目组定义了99种边界条件 Flopack应用了44种或88种 PBGA封装模型的建立 PBGA封装特点 有机基片Organicsubstrate使用焊球 Solderballs 作为二级互联主要应用 ASIC s 内存 图形显示 芯片组 通讯等 PBGA封装优缺点 I O密度高 基片材BT具有较好的电性能 加工工艺类似PCB板 成本低廉非气密封装 不适合于长时工作的芯片或军用芯片Die与基片 Substrate 间的CTE不匹配如功耗大于2W 则可能需要加强散热手段 主要类型的PBGA封装 Wire BondedPBGA Die up 最主流的PBGA封装 相对成熟的加工技术 可处理5W以上热耗 主要类型的PBGA封装 Fine PitchBGA 由die upPBGA变化而来别名 FSBGA ChipArrayTM焊球间隙较小可归类为Near CSP建模也较困难焊球间隙典型值为1mm 0 8mm 0 65mm 0 5mm 0 4mm经常缺少明显可见 比Die尺寸大的DiePad 因为Die大小与封装大小相近基片 substrate 中每个信号过孔都必须单独建出 在FLOPACK中 别名ChipArrayTM 主要类型的PBGA封装 Die downPBGA 1 最常见的Die downPBGA芯片为Amkor公司的SuperBGATM 但是SuperBGA中无上图结构中的加强环 StiffenerRing 2 Spreader 铜合金 可直接与散热器相连 良好的散热性能 可处理功耗8 10W3 如无加强环 StiffenerRing 则塑料基片与Spreader直接相连 主要类型的PBGA封装 Flip ChipPBGA 1 因电气性能良好 应用越来越广泛2 因布线考虑 很难在Die下方布热过孔 故信号过孔会对散热有较大影响3 基片 substrate 复杂 一般中间层为BT层 两边另附有其它层 主要类型的PBGA封装 Flip ChipPBGA的散热加强手段 建模时需特别注意Cap LidAttach的厚度与材质 因为该类芯片功耗一般较大 主要热阻的组成部分之一Attach即使有较小的误差 也会引起结温和热阻值Theta JC估计较大的误差 MetalCap与Lid可能由铝与铜制 主要应用 高功耗处理器 军事用芯片主要分为 1 Flip Chip2 BondWire CBGA封装模型的建立 主要类型的CBGA封装 Wire BondedCBGA 主要类型的CBGA封装 Flip ChipCBGA Bare Die Caped PlasticQuadFlatPack thinversioncalledTQFP 常用于逻辑芯片 ASIC芯片 显示芯片等封装外管脚 Lead 表面贴装 PQFP封装模型的建立 PQFP封装模型的建立 截面结构图 PQFP封装优缺点 成熟的封装类型 可采用传统的加工方法 成本低廉 适用于中低功耗且中等数目I O 50 300 热阻高 不采用Heatslug等附加散热手段的条件下功耗很难突破2W管脚间距难以做得过小 难于小于0 4mm 相对于BGA封装I O数目少 无散热器时的主要散热路径ThedieandthedieflagTheleadframeTheboard N PQFP封装模型的建立 注意 在Lead数目较多的情况下 Bondwires的传热份额可能高达15 但是在热测试芯片中 由于Bondwires数目较少 忽略了这部分热量 注意 一部分热量由芯片传至散热器上 又有可能重新传递回芯片上 SmallOutlinePackageLowprofileversionknownasThinSmallOutlinePackage TSOP 类似于PQFP 只是只有两边有管脚广泛应用于内存芯片常见的类型 常规 Lead on Chip SOP TSOP封装模型的建立 SOP TSOP封装模型的建立 部分芯片建模时可将各边管脚统一建立 管脚数较小应将各管脚单独建出 fusedlead一定要单独建出Tiebars一般可以忽略 QFN封装模型的建立 主要用于替换引脚数小于80的引线装芯片 主要是TSOPandTSSOP 尺寸较小 同时相对于TSOP TSSOP散热性能好Theta JA通常只有TSSOP芯片的一半左右主要传热路径 Die DieAttachPad ExposedPad PCB次要传热路径 Lead 最好各个管脚单独建出 PCB板下 ExposedPad下方 通常添加热过孔以加强散热 CSP封装模型的建立 封装相对于Die尺寸不大于20 主要应用于内存芯片 应用越来越广泛尺寸小 同时由于信号传输距离短 电气性能好种类超过40种如封装尺寸相对于Die 大于20 但接近20 则称为Near CSP Micro BGATM封装模型的建立 为早期的一种CSP设计常用于闪存芯片Traces排布于聚酰亚胺的tape层Die与Tape之间有专用的Elastomer采用引脚Lead将电信号由die传递至traces焊球可较随意排布Die可放在中心 也可以偏置主要传热路径 Die elastomer solderballs boardLead传导热量较少 很多情况下可忽略Elastomer导热能力差 为主要的散热瓶颈焊球要求单独建出Tape中Trace的传导较少 但是不能忽略SolderBall也够成相对较小的热阻 相对于Elastomer 其它的CSP芯片 Fine PitchBGA ChipArrayTM FSBGA 类拟于PBGA 更焊球间距更小Fan intraces所有的过孔都必须单独建出MicroStarTM FlexBGATM类拟于ChipArray 但基片材料为tape而非BT 堆栈封装 StackedPackages 模型的建立 StackedTSOP mZ BallStackTM 开始应用于内存领域 stackedTSOP 近来应用到了面阵列封装领域 堆栈裸片封装 Stacked DiePackages 的建模 别名SiP SysteminPackage 通常堆栈2 4层裸片目前也在研发6层或更多数目的堆栈裸片当所有的功能难以集中在单片裸片中时应用常见的应用 Flash SRAM ASIC Memory Memory Logic Analog LogicInareaarrayorleadedpackageoutlines加工困难 第层裸片都必须加工为特别薄 50微米级 需要精细的电路设计和散热设计尚无成熟的热简化模型芯片常用于体积要求较小的手机或其它移动电子设计 SiP 如上层的Die尺寸大于或接近于下层的Die 因为无法安排Wire bond可能就必须放置硅制或其它材料制的转接板Interposer spacer 堆栈裸片封装 Stacked DiePackages 的建模 SiP本身也可以堆栈到其它的SiP或单核封装上面 SiP 有问题多问问芯片供应商 不用问我们 堆栈裸片封装 Stacked DiePackages 的建模