IC Packages  P127

IC 封裝
IC封裝是保護芯片免受:
–環境壓力如濕度，污染
–機械壓力如破裂，過熱
–操作過程中的放電
IC封裝必須提供:
–用于測試的接觸面
–與PCB連接的電路連接面
IC封裝除了要滿足以上要求外還應滿足成本，質量和可靠性等方面的要求
它是電子封裝的第一級
–第二級是封裝-PCB裝配
–第三級是PCB-底板裝配

封裝按安裝方法可以分為:
–穿孔型(THT)
–表面安裝型(SMT)
–特殊類型
THT封裝的pins穿過PCB上的孔
–常用于板的空間并不寬裕的封裝
–如DIP, PGA, 等.
SMT封裝的pins直接焊接在PCB的表面
–常用于高pin密度的封裝
–如QFP, QFJ, 等.

特殊類型封裝如:
–COP封裝被安裝并密封在PCB上
–(TCP)
–記憶模塊
每種芯片耗散功率是下列參數的函數:
–頻率, f
–電容, C
–電壓, V
–門數(I/O count)
即:
Power = F(f, C, V2, Gate count)

邏輯芯片比記憶芯片有更多的門
因此，從散熱的角度來看，邏輯芯片的散熱比記憶芯片難
一般,封裝的絕對最高溫度設計為125 C
–當節點(junction)的溫度超過這個溫度時,失效率將大大增加
–考慮20-25%的安全裕量,允許最大節點溫度通常小于100 C

IC封裝舉例Plastic Ball Grid Array (PBGA)–頂部的導熱率低(~ 1 W/m/K)–PCB 類型材料底部–小尺寸die (封裝大小的1/3)–連接位于die的頂部,power也一樣

Tape Ball Grid Array (TBGA)–頂部的導熱率高(copper)–Substrate 比PBGA薄–Die是封裝大小的1/3 –連接位于die的底部,power也一樣

Fine Pitch Ball Grid Array (FPBGA)–頂部的導熱率低(~ 1 W/m/K)–PCB 類型材料底部–(CSP) (Die是封裝大小的70%)–連接位于die的頂部,power也一樣–和PBGA模型相同

Flip Chip Ceramic Ball Grid Array (Flip chip-CBGA)–外露的die,可選的散熱板，無線–陶瓷底層(K~15 W/m/K)–連接位于die的底部; 連接節點junction附在熔球上,熔球連接信號線–和PBGA模型相同

Plastic Quad Flat Pack (PQFP)–低熱傳導率(~ 1 W/m/K)–Die約為封裝大小的1/3; 沒有底層–連接位于die的頂部,power也一樣–通過金線lead從外圍連接到PCB電路板上
ABGA (Advanced BGA)  陶瓷底層的封裝(CBGA)

封裝模型類型
詳細模型
緊湊熱傳導模型
網絡模型
–單熱阻模型
用θja描述
–雙(或多個)熱阻網絡模型
雙熱阻網絡模型
星型(six)熱阻網絡模型
Shunt (fourteen)網絡模型
一般網絡模型
–ACE (Automatic Compact model Extraction)
由Icepak自動得到的靈活的多熱阻網絡拓撲
–DELPHI 模型
多熱阻網絡拓撲是基于直覺和曲線按擬合的熱阻

詳細封裝模型
詳細模型
–模型包含幾乎所有的詳細特征,如熔球,leads,芯片(die),底層等.
–用于封裝層次的建模,描述以及測量確認等.
–精度高
–邊界條件無關,與網絡模型不同
–計算時間比簡化的模型多
–僅僅用于非常重要的封裝
–不太重要的封裝可以使用簡化的模型建模(如CCM, Network, etc.)

緊湊熱傳導模型
緊湊熱傳導模型
–主要組件作為塊(block)或厚板(plate)建模,如mold,底層,熔球(ball),etc
–熔球和vias作為具有各向異性熱傳導率的集中塊(block)建模
–薄元件作為導熱薄板建模,如pads, traces, 接觸熱阻, etc.)
導熱薄板具有三維的導熱特性,但是生成二維的網格
可以減少網格數量并且移除特別細的網格單元
–CCM模型比詳細模型的網格數目少得多
–精度略差, 誤差一般低于10%
–Board層次和亞系統層次建模效果很好
–可用于瞬態建模
–邊界條件無關
–應用于multi-source 和stacked die 封裝
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緊湊熱傳導模型

網絡模型
單熱阻模型
–封裝只由一個熱阻描述, θja
–θja對于大多數模型可用
–對于在標準測試條件下作比較時有用(如JEDEC 測試條件)
–可以從CFD分析估計
–不適用于CFD分析
–得不到封裝的表面溫度
θja= (Tdie–Tamb) / Qdie
Tdie= 芯片節點溫度
Tamb= 環境溫度
Qdie= 芯片總功率

雙熱阻模型
–雙熱阻模型是在CFD應用最廣泛的網絡模型
–由從junction到case的熱阻θjc, 和從junction到board的熱阻θjb描述
–這是既具有吸引力又最簡單的拓撲結構
–當環境顯著不同于其描述時誤差可能超過10%
–可以用不同的方法確定熱阻的大小
使用邊界條件測試或熱傳導模擬
JEDEC標準測試: 只有θjb存在標準(環形冷板測試); JEDEC 是一種測試θjc的測試標準
–僅僅用于估計節點的溫度
網絡的內部不生成網格. 所以增加內部節點數不會增加總體的網格數量.

封裝熱阻的定義
θjc= (Tdie–Tcase) / Qcase
Tdie= die的溫度
Tcase= case的平均溫度
Qcase= case的散熱量
θjb= (Tdie–Tbot) / Qboard
Tbot= 封裝底部的平均溫度
Qboard= 從封裝底部到board的散熱量
θja= (Tdie–Tamb) / Qdie
Tamb= 環境溫度
Qdie= 封裝的總散熱量

Factors Affecting Chip Resistances P157
θja取決于:
–Die 功率
–Chip大小
–傳導途徑
–空氣流動速度
–PCB 板類型
θja減小:
–chip 大小增加
–空氣流動速度增加
–傳導途徑增加
板上單個封裝測量的阻尼比很多封裝在板上測量的結果低

最小化θjc和θjb
θjc可以由以下方法最小化
–在die的頂部貼上散熱銅層(如Tape Ball Grid Array packages)
θjb可以由以下方法最小化
–更好的leadframe設計
–讓外露的die pad與PCB板接觸
–在die pad和PCB板之間加入散熱銅層
–在PBGA中加vias和balls
減小θjc和/或θjb會使θja減小
估計θjc和θjb
θjc和θjb可以使用Icepak估計
–可以使用宏
–宏中有菜單可以指定封裝的結構,尺寸和特性
–查看下一頁中的屏幕捕捉菜單
步驟:
–指定封裝的結構,尺寸和特性
–可以從庫中調出一個類似的封裝類型并作必要的修改
–選擇“Characterize JC”來估計θjc, 或
–選擇“Characterize JB”來估計θjb
點擊“accept”創建一個Icepak對象
運行模型并得到溫度分布
各熱阻的計算如下:
估計θjc和θjb
θjc= (Tmax–Twall)/P
θjb= (Tmax–Tboard)/P
Tmax= 最大die溫度
Twall= case表面平均溫度
P = die 功率
Tmax=最大die溫度
Tboard= board表面平均溫度
P = die 功率
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ACE 模型
ACE 方法
–允許自動生成網絡
–不用預先確定網絡拓撲
網絡結構也由求解得出
比固定拓撲結構要靈活得多
網絡可以構造得任意復雜,取決要求解的問題
–Accuracy reproduces detailed CFD solution at desired points
–允許IC的動力熱學建模
–應用于所有類型的電子封裝
BGAs
Stack dies
MCMs
–不需要任何信息和猜測來構造模型
ACE 模型網格算法
ACE是基于多重網格的算法
考慮qe= aE(TP-TE)
當aE很大時(傳導率大,例如) P和E點的溫度幾乎相同

DELPHI 模型DELPHI網絡是由幾個連接節點(代表die)和表面節點的幾個熱阻組成的緊湊模型構成在各種邊界條件下,使用熱流途徑的知識來選擇拓撲需要用來確定拓撲結構的信息:–節點個數,面節點的幾何位置,外形和大小–節點之間的連接熱阻最好能夠匹配:–Junction溫度–熱流分布

DELPHI 模型IcepakCapability
Icepak網絡對象為形成任何拓撲提供更多的靈活性
–由于具有強大的非結構求解器技術
有可以生成任何常用Delphi拓撲的宏

DELPHI 模型Validation Study
用于確認的封裝
1.128 BGA with 4 peripheral rows, plastic molding
2.128 BGA with 4 peripheral rows, copper lid.
3.400 BGA with 4 peripheral rows, plastic molding.
4.400 BGA with 4 peripheral rows, copper lid.
5.841 BGA with full ball array, plastic molding (this has the same37x37 mm size asthe 400 4 peripheral array).
6.841 BGA with full ball array, copper lid.

DELPHI 模型Validation Study
安裝在4層board上的封裝
–自然對流(熱流主要通過solder ball傳到board上.)
有散熱器安裝在封裝頂部
–熱流主要通過封裝的case傳到散熱器上
誤差方程:
% TjError = (Tj simpl -Tj detailed) / (Tj detailed–Tambient) X 100
% Q Error = (Qsimpl -Qdetailed) / QDetailedX 100

BGA研究得到了合理精確的結果
–誤差在10%以內
–研究了有/無散熱器的緊湊模型
精度取決于
–選擇的拓撲
–邊界條件設置

練習: ACE-DELPHI 比較 P191
練習: PBGA 建模  P195
練習: 網絡模型 P202
練習: 詳細模型vs網絡模型 P210

Icepak資料下載:  Icepak高級建模(456頁).pdf

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