IC Packages  P127

IC 封装
IC封装是保护芯片免受:
–环境压力如湿度，污染
–机械压力如破裂，过热
–操作过程中的放电
IC封装必须提供:
–用于测试的接触面
–与PCB连接的电路连接面
IC封装除了要满足以上要求外还应满足成本，质量和可靠性等方面的要求
它是电子封装的第一级
–第二级是封装-PCB装配
–第三级是PCB-底板装配

封装按安装方法可以分为:
–穿孔型(THT)
–表面安装型(SMT)
–特殊类型
THT封装的pins穿过PCB上的孔
–常用于板的空间并不宽裕的封装
–如DIP, PGA, 等.
SMT封装的pins直接焊接在PCB的表面
–常用于高pin密度的封装
–如QFP, QFJ, 等.

特殊类型封装如:
–COP封装被安装并密封在PCB上
–(TCP)
–记忆模块
每种芯片耗散功率是下列参数的函数:
–频率, f
–电容, C
–电压, V
–门数(I/O count)
即:
Power = F(f, C, V2, Gate count)

逻辑芯片比记忆芯片有更多的门
因此，从散热的角度来看，逻辑芯片的散热比记忆芯片难
一般,封装的绝对最高温度设计为125 C
–当节点(junction)的温度超过这个温度时,失效率将大大增加
–考虑20-25%的安全裕量,允许最大节点温度通常小于100 C

IC封装举例Plastic Ball Grid Array (PBGA)–顶部的导热率低(~ 1 W/m/K)–PCB 类型材料底部–小尺寸die (封装大小的1/3)–连接位于die的顶部,power也一样

Tape Ball Grid Array (TBGA)–顶部的导热率高(copper)–Substrate 比PBGA薄–Die是封装大小的1/3 –连接位于die的底部,power也一样

Fine Pitch Ball Grid Array (FPBGA)–顶部的导热率低(~ 1 W/m/K)–PCB 类型材料底部–(CSP) (Die是封装大小的70%)–连接位于die的顶部,power也一样–和PBGA模型相同

Flip Chip Ceramic Ball Grid Array (Flip chip-CBGA)–外露的die,可选的散热板，无线–陶瓷底层(K~15 W/m/K)–连接位于die的底部; 连接节点junction附在熔球上,熔球连接信号线–和PBGA模型相同

Plastic Quad Flat Pack (PQFP)–低热传导率(~ 1 W/m/K)–Die约为封装大小的1/3; 没有底层–连接位于die的顶部,power也一样–通过金线lead从外围连接到PCB电路板上
ABGA (Advanced BGA)  陶瓷底层的封装(CBGA)

封装模型类型
详细模型
紧凑热传导模型
网络模型
–单热阻模型
用θja描述
–双(或多个)热阻网络模型
双热阻网络模型
星型(six)热阻网络模型
Shunt (fourteen)网络模型
一般网络模型
–ACE (Automatic Compact model Extraction)
由Icepak自动得到的灵活的多热阻网络拓扑
–DELPHI 模型
多热阻网络拓扑是基于直觉和曲线按拟合的热阻

详细封装模型
详细模型
–模型包含几乎所有的详细特征,如熔球,leads,芯片(die),底层等.
–用于封装层次的建模,描述以及测量确认等.
–精度高
–边界条件无关,与网络模型不同
–计算时间比简化的模型多
–仅仅用于非常重要的封装
–不太重要的封装可以使用简化的模型建模(如CCM, Network, etc.)

紧凑热传导模型
紧凑热传导模型
–主要组件作为块(block)或厚板(plate)建模,如mold,底层,熔球(ball),etc
–熔球和vias作为具有各向异性热传导率的集中块(block)建模
–薄元件作为导热薄板建模,如pads, traces, 接触热阻, etc.)
导热薄板具有三维的导热特性,但是生成二维的网格
可以减少网格数量并且移除特别细的网格单元
–CCM模型比详细模型的网格数目少得多
–精度略差, 误差一般低于10%
–Board层次和亚系统层次建模效果很好
–可用于瞬态建模
–边界条件无关
–应用于multi-source 和stacked die 封装
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紧凑热传导模型

网络模型
单热阻模型
–封装只由一个热阻描述, θja
–θja对于大多数模型可用
–对于在标准测试条件下作比较时有用(如JEDEC 测试条件)
–可以从CFD分析估计
–不适用于CFD分析
–得不到封装的表面温度
θja= (Tdie–Tamb) / Qdie
Tdie= 芯片节点温度
Tamb= 环境温度
Qdie= 芯片总功率

双热阻模型
–双热阻模型是在CFD应用最广泛的网络模型
–由从junction到case的热阻θjc, 和从junction到board的热阻θjb描述
–这是既具有吸引力又最简单的拓扑结构
–当环境显著不同于其描述时误差可能超过10%
–可以用不同的方法确定热阻的大小
使用边界条件测试或热传导模拟
JEDEC标准测试: 只有θjb存在标准(环形冷板测试); JEDEC 是一种测试θjc的测试标准
–仅仅用于估计节点的温度
网络的内部不生成网格. 所以增加内部节点数不会增加总体的网格数量.

封装热阻的定义
θjc= (Tdie–Tcase) / Qcase
Tdie= die的温度
Tcase= case的平均温度
Qcase= case的散热量
θjb= (Tdie–Tbot) / Qboard
Tbot= 封装底部的平均温度
Qboard= 从封装底部到board的散热量
θja= (Tdie–Tamb) / Qdie
Tamb= 环境温度
Qdie= 封装的总散热量

Factors Affecting Chip Resistances P157
θja取决于:
–Die 功率
–Chip大小
–传导途径
–空气流动速度
–PCB 板类型
θja减小:
–chip 大小增加
–空气流动速度增加
–传导途径增加
板上单个封装测量的阻尼比很多封装在板上测量的结果低

最小化θjc和θjb
θjc可以由以下方法最小化
–在die的顶部贴上散热铜层(如Tape Ball Grid Array packages)
θjb可以由以下方法最小化
–更好的leadframe设计
–让外露的die pad与PCB板接触
–在die pad和PCB板之间加入散热铜层
–在PBGA中加vias和balls
减小θjc和/或θjb会使θja减小
估计θjc和θjb
θjc和θjb可以使用Icepak估计
–可以使用宏
–宏中有菜单可以指定封装的结构,尺寸和特性
–查看下一页中的屏幕捕捉菜单
步骤:
–指定封装的结构,尺寸和特性
–可以从库中调出一个类似的封装类型并作必要的修改
–选择“Characterize JC”来估计θjc, 或
–选择“Characterize JB”来估计θjb
点击“accept”创建一个Icepak对象
运行模型并得到温度分布
各热阻的计算如下:
估计θjc和θjb
θjc= (Tmax–Twall)/P
θjb= (Tmax–Tboard)/P
Tmax= 最大die温度
Twall= case表面平均温度
P = die 功率
Tmax=最大die温度
Tboard= board表面平均温度
P = die 功率
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ACE 模型
ACE 方法
–允许自动生成网络
–不用预先确定网络拓扑
网络结构也由求解得出
比固定拓扑结构要灵活得多
网络可以构造得任意复杂,取决要求解的问题
–Accuracy reproduces detailed CFD solution at desired points
–允许IC的动力热学建模
–应用于所有类型的电子封装
BGAs
Stack dies
MCMs
–不需要任何信息和猜测来构造模型
ACE 模型网格算法
ACE是基于多重网格的算法
考虑qe= aE(TP-TE)
当aE很大时(传导率大,例如) P和E点的温度几乎相同

DELPHI 模型DELPHI网络是由几个连接节点(代表die)和表面节点的几个热阻组成的紧凑模型构成在各种边界条件下,使用热流途径的知识来选择拓扑需要用来确定拓扑结构的信息:–节点个数,面节点的几何位置,外形和大小–节点之间的连接热阻最好能够匹配:–Junction温度–热流分布

DELPHI 模型IcepakCapability
Icepak网络对象为形成任何拓扑提供更多的灵活性
–由于具有强大的非结构求解器技术
有可以生成任何常用Delphi拓扑的宏

DELPHI 模型Validation Study
用于确认的封装
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
安装在4层board上的封装
–自然对流(热流主要通过solder ball传到board上.)
有散热器安装在封装顶部
–热流主要通过封装的case传到散热器上
误差方程:
% TjError = (Tj simpl -Tj detailed) / (Tj detailed–Tambient) X 100
% Q Error = (Qsimpl -Qdetailed) / QDetailedX 100

BGA研究得到了合理精确的结果
–误差在10%以内
–研究了有/无散热器的紧凑模型
精度取决于
–选择的拓扑
–边界条件设置

练习: ACE-DELPHI 比较 P191
练习: PBGA 建模  P195
练习: 网络模型 P202
练习: 详细模型vs网络模型 P210

Icepak资料下载:  Icepak高级建模(456页).pdf

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