洪美欽

摘 ?要：CSP封裝散熱工藝在某種程度上決定了CSP封裝技術(shù)的最終成果，本文主要基于筆者的實(shí)驗(yàn)研究和查閱資料，首先就CSP封裝工藝流程進(jìn)行了簡述，然后結(jié)合AHSYS Icepak熱分析軟件，從焊接材料、基板和底部填充物三個(gè)角度，對CSP封裝散熱工藝的影響因素進(jìn)行了探究。

關(guān)鍵詞：CSP;散熱;仿真

一、序言

伴隨著我國對信息技術(shù)研究的拓展，芯片技術(shù)已經(jīng)成為了國家重點(diǎn)研究對象。CSP封裝技術(shù)是由日本三菱企業(yè)與上世紀(jì)九十年代末所提出來的一種封裝形式，現(xiàn)在已經(jīng)作為國際上的通用的芯片封裝技術(shù)而使用。本文主要針對CSP封裝技術(shù)中的散熱工藝進(jìn)行研究，當(dāng)前國內(nèi)針對CSP封裝散熱工藝的研究明顯滯后于國外，所以筆者在綜合國內(nèi)外的優(yōu)秀研究基礎(chǔ)上對CSP封裝散熱工藝進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化。

二、CSP封裝工藝流程

CSP封裝工藝的本質(zhì)是現(xiàn)有封裝形式的升級(jí)，也被稱為狹窄間距的BGA，從流程上來說大致可以分為晶圓級(jí)工藝、晶片級(jí)工藝和塑料成型工藝三個(gè)階段。晶圓級(jí)工藝是針對晶圓進(jìn)行制備和切割，同時(shí)對切割好的晶片進(jìn)行檢查;晶片級(jí)工藝階段是晶片和引線的鍵合，然后針對鍵合的質(zhì)量進(jìn)行檢測;塑料成型工藝階段最為復(fù)雜，包括了針對產(chǎn)品的塑料包裝和激光打標(biāo)，同隊(duì)在后續(xù)硬化的同時(shí)進(jìn)行植球操作和回流焊接，最后進(jìn)行相應(yīng)的測試和檢查。本次CSP封裝散熱工藝的研究也是主要集中在塑料成型工藝階段，根據(jù)相關(guān)的熱仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，筆者認(rèn)為CSP封裝工藝的影響因素主要集中在焊接材料、基板和底部填充物三個(gè)方面。

三、CSP封裝散熱工藝影響因素

本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)對CSP封裝工藝進(jìn)行的熱仿真分析，使用的是AHSYS Icepak熱分析軟件，通過輸入筆者日常接觸的相關(guān)參數(shù)來進(jìn)行處理和求解，最終得到相應(yīng)的仿真成果。

1.焊接材料

為了更加直觀的了解焊接材料對CSP封裝散熱性能的影響，筆者將焊接材料的導(dǎo)熱率設(shè)置為了320、160、80、40、20W/m·K，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著焊接材料導(dǎo)熱系數(shù)的減少，模型最高溫度為下降趨勢，模型最低溫度為上升趨勢。說明在相同厚度和面積的情況下，導(dǎo)熱率的減少能夠減小熱量的傳道，從而阻止最高溫度的降低。另外從實(shí)驗(yàn)結(jié)果筆者了解到，從320到160 W/m·K階段的最高溫度沒有改變，而從100W/m·K往下，其最高溫度呈上升趨勢。所以在實(shí)際生產(chǎn)工作時(shí)，要結(jié)合材料本身的氣孔、雜質(zhì)和導(dǎo)熱率來對焊接材料進(jìn)行綜合調(diào)整，盡量升高焊點(diǎn)的導(dǎo)熱率來增加封裝過程的散熱。

2.基板

針對基板材料的研究，筆者同樣采用了控制變量的方法，將基板的導(dǎo)熱率設(shè)置為了300、200、100、50、10 W/m·K，根據(jù)熱仿真的結(jié)果，筆者發(fā)現(xiàn)隨著基板導(dǎo)熱率的減少，在300到50 W/m·K范圍內(nèi)，模型的最高溫度變化并不明顯，但是從50W/m·K往下，模型的最高溫度變化非常明顯，呈指數(shù)上升的趨勢。說明隨著基板導(dǎo)熱率的減少，更多的熱量不會(huì)傳遞至散熱器，從而影響散熱工藝的發(fā)揮。同時(shí)在設(shè)計(jì)基板時(shí)對于導(dǎo)熱率較高的基板可以適當(dāng)增加其厚度，選取總熱阻最小時(shí)的厚度，能夠提高散熱的效率。

3.底部填充物

底部填充物不僅可以增強(qiáng)焊點(diǎn)的機(jī)械性能，而且對熱量的傳導(dǎo)有一定作用。針對底部填充物的研究，筆者設(shè)置了10.0、6.0、3.0、1.0、0.5W/m·K五種不同的導(dǎo)熱率，與設(shè)置焊接材料和基板導(dǎo)熱率的方法相似，在低導(dǎo)熱率時(shí)將梯度設(shè)置較低，在高導(dǎo)熱率時(shí)將梯度設(shè)置較高，采用控制變量的方法控制焊接材料和基板的導(dǎo)熱系數(shù)分別為58W/m·K和30W/m·K。隨著底部填充物導(dǎo)熱率的增加，模型最高溫度呈下降趨勢。

通過建模和模擬的手段從材料方面研究了焊接材料、封裝基板、底部填充物對CSP的散熱性能影響，并分析了各部分所使用的材料對模型最高溫度和熱阻的影響程度。在該模型中，當(dāng)焊接材料導(dǎo)熱率趨于無窮時(shí)，模型最高溫度為125.6℃，熱阻為1.75K/W;當(dāng)基板材料導(dǎo)熱率趨于無窮時(shí)，模型最高溫度為120.32℃，熱阻為1.41K/W;當(dāng)?shù)撞刻畛湮锊牧蠈?dǎo)熱率趨于無窮時(shí)，模型最高溫度為123.11℃，熱阻為1.62K/W。

四、總結(jié)

總而言之，根據(jù)筆者的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，本次研究中基板對散熱效率的影響最高，其次為焊接材料，約為封裝基板的1/14，底部填充物的導(dǎo)熱率對封裝過程的散熱效率影響最小，并且三者增加材料的導(dǎo)熱率均能降低模型最高溫度和熱阻，提高散熱性能。所以在實(shí)際的研究過程中，相關(guān)研究人員應(yīng)該更注重基板對散熱過程的影響。在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，還應(yīng)該結(jié)合不同的生產(chǎn)需求進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，為推動(dòng)CSP在我國的本土化應(yīng)用做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] ?劉超，傅仁利，顧席光，周鳴，田揚(yáng)，蔡君德.芯片級(jí)LED封裝光源結(jié)構(gòu)散熱性能的數(shù)值模擬[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2016，53（12）：240-249.

[2] ?李磊. 三維疊層CSP/BGA封裝的熱分析與焊點(diǎn)可靠性分析[D].電子科技大學(xué)，2006.