晶片的封裝散熱

晶片封裝散熱設計的目的，是在於讓晶片有最小的封裝熱阻值。但通常熱流工程師很難有著力點，電氣性能與價格通常就決定了封裝的方式。熱流工程師僅能夠在已知封裝結構的情況下進行晶片熱阻特性的分析與量測。很少有客戶會要求提供建議，提出這種建議時，通常都是一些比較特殊的封裝需求，除非有相當的資料庫，否則到時也只能見招拆招，通常他們是會給些時間讓你進行評估的。



封裝熱阻當然是愈低愈好。通常晶元的尺寸與所需要的引腳數目就決定了封裝尺寸。以散熱角度而言，尺寸上是愈大愈好，但厚度上不見得是愈薄愈好。一般的PBGA封裝方式，熱由接面位置產生，向上由熱傳導方式經由封裝材料（Molding）傳遞到晶片表面，藉由熱對流與熱輻射的方式帶離晶片。或是再透過散熱片，傳遞到空氣中。向下，則必須先穿過矽晶體，銀膠（Epoxy），基板（Substrate），錫球（Solder Board），最終傳導到印刷電路板，最後仍舊散到大氣之中。

在不加散熱片的PBGA通常大約20%的熱由封裝表面散掉，其他約80%的熱會向下傳遞到印刷電路板。因此，減小接面至印刷電路板間的熱阻，是最主要的目標。十年前的技術（做封裝是十年前的事情了），PBGA的晶元通常研磨至16 mil（1 mil 為千分之一英吋，其他BGA類的產品，有的可以到12 mil，後來聽說有到8 mil的，但我不確定），將晶元黏在基板上所使用的銀膠，厚度通常也是固定，所以，從接面到銀膠這一部份，基本上是固定的。但是基板卻是一個可以藉由Layout來改善散熱性能的地方，即使能改善的幅度仍舊有限。晶元貼附在基板上的位置，通常是一片鋪銅，稱為Die Pad。此鋪銅有助於熱的擴散。因此，尺寸上Die Pad是愈大愈好，但大小是會受到Power Ring，Ground Ring與傳遞訊號的Golden Finger所限制；並且厚度愈厚也會愈好，也就是基板使用的厚度較厚的銅層，但通常受成本考量，最大厚度採用在2 oz（在PCB中，oz 指的是厚度）。

此外，基板基材的熱傳導係數約在0.3到0.4W/mK之間，算是相當低的一個數值。在貫穿基板方向，可以藉由增加熱通孔（Thermal Vias）來提升整體貫穿基板方向的熱傳導率。在製程上熱通孔和一般的通孔是一樣的，只是熱通孔主要是用來導熱用。但是，熱通孔最好還是能夠連接到大的鋪銅面，例如Ground Plane，才能有效的將熱擴散開來。或是直接連到錫球的Ball Pad，藉由錫球傳導到PCB。熱通孔的最佳位置是在晶元的下方，數量愈多愈好。直達錫球或Ground Plan都能有效將低熱阻。

錫球有導通訊號與散熱的功能，由於要導通訊號，所以基本上，錫球的熱傳導係數並不會太差，錫球的熱傳導係數約為50W/mK，無鉛錫球的熱傳導係數略微低一些，約在35W/mK。並且在過錫爐後，其高度大約變為錫球原始直徑的六成左右，所以傳導距離並不太長，只是錫球間仍是填充著幾乎靜止的空氣，由晶元產生的熱基本上是由錫球傳遞到印刷電路板上，近乎靜止的空氣反而是晶片散熱的阻礙。

如同熱通孔一樣，錫球也有用來作為導熱用途的，稱之為熱錫球（Thermal Ball）。基本上，這些錫球皆處於晶元的下方，且通常會連接到印刷電路板的接地層。所以，晶元下的熱錫球數量也是愈多愈好。另外，由於錫球是銲在Ball Pad上，因此，Ball Pad的尺寸是儘可能增加，但增加Ball Pad的尺寸可能較容易造成錫球間的短路。

簡而言之，晶片封裝的散熱設計考量，目標只有一個，就是儘可能減少由接面至封裝表面或基板，甚至到環境間的熱阻。

最後，關於封裝熱阻有一個很重要的觀念：當封裝方式，封裝尺寸與封裝材料固定時，那麼該晶片 的RJC和RJB就被固定了。也就是說，RJC與RJB是封裝內部的熱特性，只和封裝方式，封裝尺寸與封裝材料有關。當封裝完成後，任何外在因素都無法影響晶片的RJC與RJB。