集成电路封装高密度化与散热问题

集成电路封装高密度化与散热问题

1 引言

数字化及网络资讯化的发展，对微电子器件性能和速度的需求越来越高，高阶电子系统产品，如服务器及工作站，强调运算速度和稳定性，而PC机和笔记本电脑对速度及功能需求也不断提高，同时，个人电子产品，如便携式多媒体装置、数字影像装置以及个人数字处理器（PDA）等的显著需求，使得对具有多功能轻便型及高性能电子器件的技术需求越来越迫切。此外，半导体技术已进入纳米量级，可在IC芯片上制造更多的晶体管，也使得摩尔定律能继续维持，基于轻便而需整合功能的需求，IC 设计技术上，目前也朝着系统单芯片（SOC）方向发展。

另一方面，从IC封装技术的发展来看，也朝向精密及微型化发展，由早期的插入式封装到表面贴装的高密度封装、封装体与印制电路板的连结由侧面的形式逐渐发展成为面阵列形式，芯片与封装的连结也由丝悍形式发展为面阵列形式的倒装芯片封装，而IC封装也朝向SIP发展，然而，在此发展趋势中，最大的障碍之一来自于热。热主要是由IC中晶体管等有源器件运算时所产生的，随着芯片中晶体管的数目越来越多，发热量也越来越大，在芯片面积不随之大幅增加的情况下，器件发热密度越来越高，过热问题已成为目前制约电子器件技术发展的瓶颈，以CPU为例，其发热量随着速度的提高而逐渐增加，目前已达115W 以上，相对的发热密度也大幅度增加。

为顺应热的挑战，CPU的封装形式也在不断变化，以寻求更佳的散热形式，而散热模块所采用的强制空气冷却器也不断改进设计提高性能，然而由于发射量的不断提高，与之相匹配的散热技术却未及时赶上，使得CPU的发展逐渐面临重大的瓶颈，终于促使Intel等公司不得不从设计上转变或牺牲某些附加功能而非一味追求运算频率的提高，另一方面，即使是存储模块也逐渐面临热的问题，根据ITRS预估：2006年每只DRAM的发热量将从1W左右增加到2W，为了扩大存储模块容量，目前许多公司开始采用3D堆叠形式的封装，虽然提高了芯片的应用效率，但也使热的问题越来越显著，据统计，由热所引起的失效约占电子器件失效的一半以上。温度过高除了会造成半导体器件的损毁，也会造成电子器件可靠性降低及性能下降，对于热问题的解决，必须寻求由封装级、PCB级到系统级的综合解决技术方案。由于封装级进行散热设计，不但效果最显著而且成本也最少，因此，封装级的散热设计更显得非常重要。

2 SIP发展及其散热问题

SIP技术是目前IC封装发展的必然趋势，SIP和SOC的概念不同，SOC是以IC前端制造技术为基础。而SIP则是以IC后段制造技术为基础，SOC又称系统单芯片、具有功耗小、性能高及体积小等优点，系统单芯片在集成不同功能芯片时，芯片制造上尚面临着一些有待克服的问题，其技术发展目前尚不完全成熟，产业的投入风险较高，因此产生了SIP的概念，目前对SIP的定义仍有许多不同的说法，SIP的广义定义是：将具有全部或大部分电子功能，可能是一系统或子系统也可能是组件，封装在同一封装体内，如图1所示，在本质上，系统级封装不仅是单芯片或多芯片的封装，同时可含有电容、电阻等无源器件，电子连接器、传感器、天线、电池等各种元件，他强调功能的完整性，具有更高的应用导向性。

目前，SIP的形式可说是千变万化，就芯片的排列方式而言，SIP可能是2D平面或是利用3D堆叠，如图2（a）所示，或是多芯片封装以有效缩减封装面积，如图2（b）所示；或是前述两者的各种组合，如图2（c）所示，和多芯片模组封装的定义不大相同，其内部结合技术可以是单纯的丝线接合，也可使用倒装芯片接合，也可以两者混用，甚至还有用TAB或其他的芯片级内部连接，或是上述方式的混合，更广义的SIP还包含了内埋置无源器件或有源器件的功能性基板结构，以及包含光电器件集成为一体的设计等。

由SIP结构所产生的散热问题大致有以下几点：

1）芯片堆叠后发热量将增加，但散热面积并未相对增加，因此发热密度大副提高；

2）多芯片封装虽然仍保有原散热面积，但由于热源的相互连接，热耦合增强，从而造成更为严重的热问题；

3）内埋置基板中的无源器件也有一定的发热问题，由于有机基板或陶瓷基板散热不良，也会产生严重的热问题；

4）由于封装体积缩小，组装密度增加，使得散热不易解决，因此需要更高效率的散热设计。

评估IC封装热传导问题时，一般采用热阻的概念，由芯片表面到环境的热阻定义如下：

其中Tj是芯片界面温度，Ta是环境温度，P是发热量。

热阻大表示器件传热阻抗大，热传困难，因此较容易产生热的问题，热阻小的表示器件传热较容易，因此散热问题较小，除了几个不同热阻值的定义之外，还有热传特性参数等定义，了解不同热阻的定义及用途，对于电子热传设计非常重要，不同热阻组成的热阻网络，可分析器件热传特性。

分析SIP封装时，两类重要的结构特性分别是3D堆叠芯片封装及多芯片封装，对散热都有显著的影响，在传热分析上和单芯片封装的概念是相同的，都可以用热阻网络来解析，3D芯片堆叠封装或多芯片封装则较为复杂。以散热路径来看，封装中芯片产生的热主要分成向上和向下两部分，向上部分的热会透过封装上表面传递到环境空间，向下的热则是透过PCB或陶瓷基板传递到环境空间。在自然对流条件下可假设封装产生的热大部分都往下传，因此向上的热阻路径可以忽略，对于3D芯片堆叠而言，热源是以串联方式增加，因此器件发热密度相应增如，图3（a）所示，而多芯片封装则有不同的热阻网络架构，并联的热源使发热密度大幅度增加，如图3（b）所示，分析结果显示，对相同发热量的芯片而言，堆叠芯片封装中越下方的芯片越低，而多芯片封装中相同尺寸的芯片温度会比较接近。

对于SIP封装而言，若要从内部传出热量，必须缩短传热路径或减少路径中的热阻。这可通过由改变布局设计或是封装结构实现，也可由增加材料热传性能来实现，另外则可由外加均热片或散热片来降低热源的集中，以图4的例子而言，当环境对流明显时，可把产生最热的芯片放置在最外面的内插板上来增加和空气接触的面积，或者通过提高内插板的热传导系数，甚至使用较薄的内插板和芯片，可以降低热阻和增强封装结构热的性能，此外也可使用散热通道来降低芯片表面到空气的热阻。