[发明专利]一种FC-BGA封装凸点分布的热耗散新方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种FC-BGA封装凸点分布的热耗散新方法，更具体地涉及根据凸点温度的不同进行凸点位置分类，进而调整凸点分布，在原来的温度较高的凸点位置适当提高凸点分布密度，使热量合理且迅速地传导出去，从而降低芯片的热量，使芯片尽快达到热量平衡，整个封装系统稳定场达到稳定状态。

技术背景

FC-BGA(Flip Chip Ball Grid Array)也就是倒装芯片球栅格阵列封装，是目前一种主流高端的先进封装形式，主要用于引出管脚较多的大型芯片。采用FC-BGA封装的图形加速器芯片的照片如图1所示。

FC-BGA集合了球型封装和倒装芯片封装技术的优点，首先，它解决了电磁兼容(EMC)与电磁干扰(EMI)问题。一般而言，采用以前的Wire Bond封装技术的芯片，其信号传递是透过具有一定长度的金属线来进行，这种方法在高频的情况下，会产生所谓的阻抗效应，形成信号行进路线上的一个障碍，但FC-BGA用小球代替原先采用的针脚来连接处理器，这种封装共使用了479个球，但直径均为0.78毫米，能提供最短的对外连接距离。图2所示为有机材料基板带铜合金散热盖的FC-BGA封装的典型结构图，其组成包括：Adhesive(胶粘剂)、Underfill(底部填充)、Solder Bump(焊料凸点)、Die(芯片)、Capacitor(电容器)、CuAlloy Lid(铜合金散热盖)、Solder Ball(锡球)、Organic Substrate (有机材料基板)。采用这一封装不仅提供优异的电性效能，同时可以减少组件互连间的损耗及电感，降低电磁干扰的问题，并承受较高的频率，突破超频极限就变成了可能。

其次，当显示芯片的设计人员在相同的硅晶区域中嵌入越来越密集的电路时，输入输出端子与针脚的数量就会迅速增加，而FC-BGA的另一项优势是可提高I/O的密度。一般而言，采用Wire Bond技术的I/O引线都是排列在芯片的四周，但采用FC-BGA封装以后，I/O引线可以以阵列的方式排列在芯片的表面，提供更高密度的I/O布局，产生最佳的使用效率，也因为这项优势，倒装技术相较于传统封装形式面积缩小30％至60％。

电子封装的热管理是指对封装体内的耗热元件及系统采用的合理的冷却/散热技术和结构设计优化，对其温度进行控制，从而保证电子器件或系统的正常、可靠地工作。

封装体内的热量来源主要有两个方面，一是电流在封装体内部芯片中流动，将电能转化为热能，引线、电阻、多晶硅等通电后都会产生热量，特别是一些高功能密度的核心器件(如CPU)产生的热量更加多；二是封装体内部可流动的部件的摩擦产生的热量，如微镜阵列等。随着热量的不断积聚，如果没有有效的流通路径将热量带走，封装体内的温度就会不断上升，直至电子器件停止工作或者完全失效为止。

在BGA结构中，芯片所产生的热量主要通过两种途径进行传输，即内部途径和外部途径，内部途径主要包括两个方面：一是热量由芯片结区向外传输的过程中，首先遇到半导体本身的传热热阻，然后是芯片同基板之间的粘结层的传热热阻；二是热流到达基板后，克服基板的传导热阻，外壳的传导热阻，从而到达外壳的外表面。此外，热源的产生的热量还有一部分通过对流和辐射的形式，穿过封装内部空间到达外壳内表面，再克服外壳的传导热阻到达外表面，但由于封装内部空间的热阻一般都比较大，因而这条通路上的热流可以忽略不计。热流传输的外部途径主要是芯片产生的热量传导至封装外表面后，在通过对流和辐射的方式逸散到环境中去。如图3为FC-BGA封装结构的热量耗散情况的模拟示意图，大约98.5％热量通过芯片与基板以及中间的凸点这条路径，因此这条途径的散热占支配作用，本发明也将具有重要意义。

在新一代的高速，高整合度的显示芯片中，散热问题将是一个大挑战。基于FC-BGA独特的倒封装形式，芯片的背面可接触到空气，能直接散热。同时基板亦可透过金属层来提高散热效率，在芯片背部加装金属散热片，更进一步强化芯片散热的能力，大幅度提高芯片在高速运行时的稳定性。目前，对FC-BGA封装热性能研究分析主要集中在芯片尺寸[1]，基板层数，基板导热系数，导热树脂与金属散热盖粘合剂的导热系数，金属散热盖结构参数[2]等因素上，如图4是热阻与气流速度在不同基板层数和有无外置散热片情况下的曲线图，图5是结温同环境温差和基板导热系数在有无外置散热片情况下的曲线关系图[3]。