FC-PBGA热流模拟

 

作者：

郑宗杰、余致广（国家纳米元件实验室（台湾））；

刘君恺、蔡伯晨、郑明欣（工业技术研究院（台湾））；

摘要

在电子产业，芯片封装模块散热效能之评估大都使用热阻值，为封装热传中一重要参数，正确了解热阻值之物理意义以及应用方法有助于电子构装产品的先期设计，热阻值的求得一般有两种方式：实验与数值模拟，两者之结果可以互相比较验证。目前热阻量测的实验设备成本较高，且从热芯片到基板及测试板的组装也较为耗时，需要专业的量测人员；因此对于一般的封装设计者而言，会花费比较多的时间，因此利用数值模拟来快速达到其热阻值的分析与预测，已成为研发的趋势。

BGA封装在电子产品中，主要应用于高接脚数、高密度构装的产品，如芯片组、CPU、Flash、部份通讯用IC等；由于BGA封装所具有的良好电气及有效缩小封装体积的特性，使其需求成长率远高于其他型态的封装方式。BGA基板分成陶瓷(Ceramic)、塑料(Plastic)、金属(Metal)和卷带(Tape)等类别，对应的封装则分别是CBGA、PBGA、MBGA与TBGA，制作方法各异，热传性能也不尽相同。CBGA基板则因其材料成本较高，目前应用较少；PBGA基板的材料成本较低，产量最大，但由于塑料是低热传导性的材质，会使芯片所产生的热量不易传导至基板。鉴于FC-PBGA在商用上已广泛应用，本文将介绍其热流模拟方法。

FC-PBGA之热流理论

FC-PBGA的基本结构如（图一）所示，一般而言，FC-PBGA封装的散热途径主要为覆晶经由下方锡铅凸块及底层填充材料将热传到基板中，再藉由基板及锡球，将热传到PCB中；另一传热路径为热传向上透过覆晶芯片直接传到空气，将热对流至大气中。但由于塑模材料的传导性较差，因此当处于自然对流时，芯片的热还是会大部分传到PCB上。设法使芯片所产生的热更容易向下传到PCB上，是一个散热设计原则。由于原本覆晶的设计理念即很容易将热传到基板上，因此所能改善的空间有限，需借由其他方式来改善，如直接在芯片的上方接黏热扩散板(heatspread)，利用其面积的增加及高热传导系数，以增加其热传量，如(图二)所示。目前高发热功率的电子组件如计算机CPU都采用此种封装技术。

图一    FC-PBGA示意图

图二    使用Heat Spreader之FC-PBGA示意图

一般封装模块散热性能研究的热传性能为芯片接面(Junction)至大气(Ambient)的热阻值，其定义为：

Rja = ( Tj - Ta ) / P                                                         (1)

其中Rja称为芯片接面到环境之热阻，Tj为芯片接面温度，Ta为环境温度，P为芯片产生的功率。上述Rja之定义代表芯片的散热性能，较低的值表示散热能力较好。

在一完整良好的封装中，芯片的接面温度是无法直接量取，因此热阻值需藉由特别的量测方法或数值模拟来获得。实验量测的方法及装置目前有JEDEC及SEMI两种标准，对于封装的尺寸、测试板的设计、实验的方式及测试片指向性都有规范，一般实验时使用的并非是真实的芯片，而是尺寸相同的热测试芯片(Thermal Test Die)，利用芯片中二极管的顺向偏压及温度关系来计算实际芯片运作时的温度变化。完整的数值模拟则是利用3D的计算流力(CFD)软件，来仿真芯片的实际热流场变化情形。

图三则说明封装热传特性量测及模拟分析之关系，由实验量测之热阻值或是热传参数，主要是做为IC封装散热效能的定性比较，另外就是实验量测之值也可做为数值模拟的验证之用；而分析及模拟则可做封装热传设计，考虑各种参数对封装热传特性的影响。本文中将介绍FC-PBGA封装热阻分析模拟的方法，以增进对此种封装热传特性的了解。

图三    热阻量测和分析模拟之关系热阻数值模拟

要建立实际覆晶式球栅数组的数值模型，边界值及热源的设定时(如锡球、热通道及外部流场)数量过多，因此在给定边界条件时增加其困难度。解决途径为我们可只先考虑部分的设定，以将复杂问题与以简化。由于尺寸过小，因此任何所忽略的微小性因素(如边间热效应)，却往往为最后收敛与否的决定性关键因素。本文中将以CFD分析软件为工具，分析FC-BGA之热传性能。分析之FC-BGA组件尺寸如下表所示：

一、模型建立的方法与步骤

模型建立的方法及步骤详述如下:

1. 设定计算区域：定义计算区域，并设定环境及边界条件如边界的开放与对称。
2. 设定封装模块内各对象的参数如几何尺寸、材质及热物理性质。模型建立之结果如（图四）所示。
3. 计算格点的设定（包含对象与系统），进行数值计算时，须把计算区域内各对象分割为细网格。因此，网格的大小愈细时，计算精度愈高，计算时间也愈久。如果计算区域内对象的结构复杂，则网格必细，而计算时间也增长。确定每一对象内都包含有格点，然后针对对象与环境的边界做格点加密，最后调整格点使之能平滑地分布。格点之分布如（图五）所示。
4. 进行模拟运算
5. 结果分析：利用后置处理软件，藉由速度与温度的影像观察，以了解流场及热传对构装结构的影响。
6. 增加模型格点数并观察其收敛结果，当格点数增加并不在影响其运算结果时，可判定达到一优化格点数。
7. 设计参数分析：改变参数并分析其运算结果。

图四    在仿真软件中所建构之FC-BGA模型

图五    在仿真软件中FC-BGA模型格点切割

二、FC-BGA Model 的简化

由于基板的厚度仅数百，且其内的铜箔层厚度更是细微，与整个基板厚度、芯片及环境相比相差甚大，但受限于软件的限制，铜箔层等细微的对象通常无法设定网格在其内，有时甚至在对象的边界上亦不存在网格线，即在某些方向上对象是包含在单一网格内，为避免由于上述情形所造成数值计算上的误差，因此在芯片构装热组的模拟上一般都是使用简化的模型[5]，也就是等效(effective)的方式计算，可减少计算格点及计算时间。

由于基板结构之影响，基板之热传特性在垂直平面及平行平面方向的热传特性并不相同，因此在分析时需将此两个方向分开计算，在沿平面方向的等效热传导性(EffectiveThermal Conductivity)，可利用热阻并联的观念加以简化，如(图六)所示。同样的，在垂直方向的等效热传导性(Effective Thermal Conductivity)则可利用热阻串联的概念加以计算，如(图七)所示。

图六    平行基板方向的非等向性热传示意图

tm=铜箔层的厚度

t=基板的厚度

L=基板的宽度

Kxy=平行基板平面的热传导系数

ηI=铜箔所占之面积比

图七    垂直基板的非等向性热传示意图

由于在基板上，散热通道(thermal vias)的分布非常复杂，并不是均匀地分布，如（图八）所示，因此在基板各部位的热传特性也并不相同，在分析时可藉由基板上via的密度来求得非等向性等效热传导系数。

图八    基板上散热通道分布疏密示意图

对于基板上散热信道较密的区域，Z方向的等效热传导系数

KM与KI分别为基板上铜箔层与介电层的热传导系数，而aM则是散热通道截面积与基板上散热通道较密区块面积的比。

至于散热信道分布较疏的区域如(图九)所示，其热传特性的计算，在Z方向的等效热传导系数

tM则是所有铜箔层厚度总合与基板厚度的比值。

而平行于基板方向的等效热传导系数则可表示为

图九    含有散热通道基板方向的等效热传示意图

三、简化模型建立的方法

将基板上铜箔层及散热通孔的热传影响估计完之后，接下来将代入建立的模型中，步骤如下：

1. 将整个封装模块简化成数各区块：芯片、基板、锡球层及测试板。
2. 代入基板及测试板的非等向性等效热传导系数。
3. 将芯片模块在通过中心点的垂直面上成1/4对称或1/2对称，可大幅降低计算区域与计算时间。

四、模拟结果

图十为基板无散热通道的FC-BGA之热阻模拟结果，可明显看出热阻会随着芯片产生的热量增加而减少，这是由于在低发热瓦数时，基板跟测试板与环境的温差并不大，对流效应不明显所致，当发热量增加后，基板跟测试板与环境的温差逐渐拉大，使得对流效应增强而降低了热阻，而由图十(b)可看出，最高温几乎局限在基板的中心区域，由其是芯片的部分，在3w的状态下，已超出了所能容许的工作温度范围(105℃)，同时芯片与基板的温差也很大，这是由于基板的结构设计与基板材质的低传导性所致，导致热流无法有效地藉由基板传导到测试板再对流到环境中，造成发热源芯片的温度无法降低。而图十一为在芯片上方接黏热扩散板之FC-BGA的仿真，仿真结果显示接黏热扩散板之FC-BGA，其热阻值可以明显降低，因此可以推论，热扩散板的增设是可以大幅降低热阻值。

图十　基板无散热通道之FC-BGA (a)模拟结果 (b)FC-BGA表面温度图(自然对流环境下，1W输入)

图十一    2mm厚铜质热扩散板之FC-BGA模拟结果(自然对流环境下，1W输入)

结论

随着电子组件高I/O及高发热密度之趋势，FC-PBGA的应用越来越重要，本文中藉由模拟的方式详细分析FC-BGA热传特性，以了解FC-BGA封装的热传效果。在分析中则利用CFD软件建立分析模型分析FC-BGA封装，同时也利用等效特性的方式将模型加以简化，大幅缩短计算时间。分析中也针对基板散热通孔及热扩散板对热传性能的影响做详细分析。