sip封装及散热技术.ppt

* * SIP封装及其散热技术 主讲人：杨邦朝教授 一、SIP发展及其散热问题 二、存储器封装的发展趋势及散热问题 三、CPU封装的发展趋势及散热问题 四、结论与展望 一、SIP发展及其散热问题 SOC与SIP ？ SOC是以IC前端制造技术为基础，而SIP则是以IC后段封装制造技术为基础。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课题，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。 SIP技术是目前IC封装的发展的必然趋势 。SIP是指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（Module），封装在同一封装体内。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，它强调功能的完整性，具有更高的应用导向性。 图1 SIP概念图 目前，SIP的型式可说是千百万化，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)；或是多芯片封装（Multi-chip Package；MCP）以有效缩减封装面积，如图2(b)；或是前述两者的各种组合,如图2(c)。 图2 （a）3D堆叠封装型态结构的SIP，（b）多芯片封装结构的SIP（Amkor），（c）组合式封装结构的SIP（Amkor） (b) (c) 更广义的SIP更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，如图3所示。 图3 含有功能性基板及光电器件的SIP结构（ITRI） SIP结构所产生的散热问题大致有以下几点： 芯片堆叠后发热量将增加，但散热面积并未相对增 加，因此发热密度大幅提高； 多芯片封装虽然仍保有原散热面积，但由于热源的相互接近，热耦合增强，从而造成更为严重的热问题； 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； 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： 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。 图4 （a）芯片堆叠结构的热传路径及热阻网络； （b）多芯片并列结构的热传路径及热阻网络 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加，如图4（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4（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温度越低，而多芯片封装中相同尺寸的芯片温度会比较接近。 Interposer 图5 SIP封装散热设计例 Underfill 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（Layout）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5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（Thermal Vias）来降低芯片表面到空气（Junction to Air）的热阻。 对于SIP热传而言，如果使用有机材质的基板，则其热传导性很低，因此热阻很大，基板的散热设计就显得相对重要，可通过增加铜箔层或是散热通孔来增强效果 。 对于SIP的热传问题，目前的相关研究并不多，例如图6是Amkor公司开发的利用两个芯片SIP封装技术的DC-DC变