专利名称：一种fc-bga封装凸点分布的热耗散新方法
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。
背景技术：
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)、OrganicSubstrate (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倉泛。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1/0的密度。一般而言，采用Wire Bond技术的1/0引线都是排列在芯片的四周，但采用FC-BGA封装以后，1/0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1/0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]。已有的研究中可以通过基板材料的选择，基板层数的选择，散热片的放置等手段来提高FC-BGA封装的散热能力，本发明创新的提出，通过凸点的分布来提高封装中芯片同基板之间热耗散的能力，进而提高整个封装系统的热耗散能力。随着集成电路特别是超大规模集成电路的迅猛发展，电子元器件的体积越来越小，与此同时，芯片的功率越来越大，这导致封装体内的热流密度日益提高，20世纪70年代到90年代之间，集成电路芯片中的热流密度从约10W*cm_2增加到100W*cm_2量级，当前这一数值增大的趋势仍在继续，如图6所示为芯片最大热流密度增长趋势，如此大的能量密度，如果不能合理的进行热管理设计，就会导致微处理器的失效。统计指出，电子产品产生失效的原因，大约有55%是由于过热以及与热相关的问题造成的。电子器件的失效往往与其工作温度密切相关，在一定温度范围内，随着温度的升高，电子器件的失效率急剧上升。研究表明器件的失效率随着温度的升高呈指数趋势增长。高温将对电子元器件带来一系列影响:电子封装体是由热膨胀系数不同的材料构成，在生产，制造，测试等过程会产生由热膨胀系数不匹配而造成的热应力；明显的温度波动将导致封装材料的疲劳断裂；温度的改变将会引起晶体管和集成电路的电流增益的变化，而由此带来的电容量，阻值等的改变将影响电信号的传输特性等。芯片功率密度的分布不均会产生所谓的局部热点，采用传统的散热技术已经不能满足现在先进电子封装的热设计，管理与控制需求，它不仅限制了芯片功率的增加，还会因过度冷却而带来不必要的能源浪费。因此本发明创新的提出一种FC-BGA封装的凸点分布的方法来有效的改善局部热点的热耗散问题，使芯片不同位置所产生的热，通过相对应的凸点分布来合理且迅速的传导出去，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。
发明内容
本发明根据凸点位置的温度来调整凸点分布，使芯片局部热量较高的地方，对应的凸点分布密度较大，芯片局部热量相对较低的地方，凸点分布密度较小，使热量快速地传导出去。图7所示为FC-BGA封装结构凸点示意图，其组成部分包括:LSI chip(LSI芯片)、Solder Bump (焊料凸点)、Heat Spreader (散热器)、Underfill Resin (底部填充树脂)、Stiffener (硬化剂)、Build_up Layer (搭建层)、Core Layer (核心层)。倒装芯片连接结构的普遍特点是芯片都正面朝下贴在基板上，芯片和基板的连接用的是导电材料制成的凸点，一般分使用和不使用下填料的倒装芯片连接。当不使用下填料时，芯片同基板间通过凸点连接，传导电特性与热量，使用下填料时，有下填料的各向异性，等方向性或绝缘粘结剂的选择而有不同的连接工艺结构，凸点在其中仍有重要影响。对于芯片与凸点，凸点与基板之间热量的传递主要是以热传导的方式。封装中的热传导问题可以用一维傅里叶方程来表示:
权利要求
1.一种FC-BGA封装凸点分布的热耗散新方法，其特征在于包括:通过凸点的不同分布来有效的改善局部热点的热耗散问题；通过凸点下金属层UBM对芯片的衬底镀一层金属；通过相对应的凸点分布来合理且迅速地把热量传导出去，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。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，芯片与基板之间通过凸点连接，对FC-BGA结构的封装的热量耗散情况进行模拟，大约98.5%热量通过芯片与基板以及中间的凸点这条路径，因此凸点的散热占支配作用。
3.如权利要求1和图9所述的方法，其特征在于，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，找到高温关键点，提高该点处的凸点分布密度。
4.如权利要求1和图10所述的方法，其特征在于，由于封装体各材料的热膨胀系数不同，温度变化后，会造成热应力的热应变，导致封装体变形，要对凸点密度重新进行调整。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，凸点下金属层(UBM)必须具备足够好的支持衬底镀金属能力，有利于凸点形成和倒装焊，一般芯片衬底的镀层金属是铝。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，凸点分布完成后，合理且迅速地使热量均衡的通过凸点传输到基板从而耗散出去。
全文摘要
本发明涉及一种FC-BGA封装凸点分布的热耗散新方法，其特征在于包括通过凸点的不同分布来有效的改善局部热点的热耗散问题；通过凸点下金属层UBM对芯片的衬底镀一层金属；通过相对应的凸点分布来合理且迅速地把热量传导出去，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。FC-BGA结构中主要通过凸点散热，本发明采用Solidworks软件进行实体建模，模型对结构稳定温度场以及瞬态温度场进行模拟，找到关键凸点即温度较高凸点的位置对凸点位置分类，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，最终使得热量合理且迅速地通过凸点传输到基板从而耗散出去。
文档编号H01L23/367GK103165472SQ20111042173
公开日2013年6月19日 申请日期2011年12月15日 优先权日2011年12月15日
发明者崔小乐, 王超, 何艺, 王洪辉 申请人:北京大学深圳研究生院, 南通富士通微电子股份有限公司