CSP封裝散熱工藝影響探究

洪美欽

摘 ?要：CSP封裝散熱工藝在某種程度上決定了CSP封裝技術的最終成果，本文主要基于筆者的實驗研究和查閱資料，首先就CSP封裝工藝流程進行了簡述，然后結合AHSYS Icepak熱分析軟件，從焊接材料、基板和底部填充物三個角度，對CSP封裝散熱工藝的影響因素進行了探究。

關鍵詞：CSP;散熱;仿真

一、序言

伴隨著我國對信息技術研究的拓展，芯片技術已經成為了國家重點研究對象。CSP封裝技術是由日本三菱企業與上世紀九十年代末所提出來的一種封裝形式，現在已經作為國際上的通用的芯片封裝技術而使用。本文主要針對CSP封裝技術中的散熱工藝進行研究，當前國內針對CSP封裝散熱工藝的研究明顯滯后于國外，所以筆者在綜合國內外的優秀研究基礎上對CSP封裝散熱工藝進行了相應的優化。

二、CSP封裝工藝流程

CSP封裝工藝的本質是現有封裝形式的升級，也被稱為狹窄間距的BGA，從流程上來說大致可以分為晶圓級工藝、晶片級工藝和塑料成型工藝三個階段。晶圓級工藝是針對晶圓進行制備和切割，同時對切割好的晶片進行檢查;晶片級工藝階段是晶片和引線的鍵合，然后針對鍵合的質量進行檢測;塑料成型工藝階段最為復雜，包括了針對產品的塑料包裝和激光打標，同隊在后續硬化的同時進行植球操作和回流焊接，最后進行相應的測試和檢查。本次CSP封裝散熱工藝的研究也是主要集中在塑料成型工藝階段，根據相關的熱仿真實驗結果，筆者認為CSP封裝工藝的影響因素主要集中在焊接材料、基板和底部填充物三個方面。

三、CSP封裝散熱工藝影響因素

本文的實驗結果是基于計算機仿真技術和計算流體力學對CSP封裝工藝進行的熱仿真分析，使用的是AHSYS Icepak熱分析軟件，通過輸入筆者日常接觸的相關參數來進行處理和求解，最終得到相應的仿真成果。

1.焊接材料

為了更加直觀的了解焊接材料對CSP封裝散熱性能的影響，筆者將焊接材料的導熱率設置為了320、160、80、40、20W/m·K，結果發現隨著焊接材料導熱系數的減少，模型最高溫度為下降趨勢，模型最低溫度為上升趨勢。說明在相同厚度和面積的情況下，導熱率的減少能夠減小熱量的傳道，從而阻止最高溫度的降低。另外從實驗結果筆者了解到，從320到160 W/m·K階段的最高溫度沒有改變，而從100W/m·K往下，其最高溫度呈上升趨勢。所以在實際生產工作時，要結合材料本身的氣孔、雜質和導熱率來對焊接材料進行綜合調整，盡量升高焊點的導熱率來增加封裝過程的散熱。

2.基板

針對基板材料的研究，筆者同樣采用了控制變量的方法，將基板的導熱率設置為了300、200、100、50、10 W/m·K，根據熱仿真的結果，筆者發現隨著基板導熱率的減少，在300到50 W/m·K范圍內，模型的最高溫度變化并不明顯，但是從50W/m·K往下，模型的最高溫度變化非常明顯，呈指數上升的趨勢。說明隨著基板導熱率的減少，更多的熱量不會傳遞至散熱器，從而影響散熱工藝的發揮。同時在設計基板時對于導熱率較高的基板可以適當增加其厚度，選取總熱阻最小時的厚度，能夠提高散熱的效率。

3.底部填充物

底部填充物不僅可以增強焊點的機械性能，而且對熱量的傳導有一定作用。針對底部填充物的研究，筆者設置了10.0、6.0、3.0、1.0、0.5W/m·K五種不同的導熱率，與設置焊接材料和基板導熱率的方法相似，在低導熱率時將梯度設置較低，在高導熱率時將梯度設置較高，采用控制變量的方法控制焊接材料和基板的導熱系數分別為58W/m·K和30W/m·K。隨著底部填充物導熱率的增加，模型最高溫度呈下降趨勢。

通過建模和模擬的手段從材料方面研究了焊接材料、封裝基板、底部填充物對CSP的散熱性能影響，并分析了各部分所使用的材料對模型最高溫度和熱阻的影響程度。在該模型中，當焊接材料導熱率趨于無窮時，模型最高溫度為125.6℃，熱阻為1.75K/W;當基板材料導熱率趨于無窮時，模型最高溫度為120.32℃，熱阻為1.41K/W;當底部填充物材料導熱率趨于無窮時，模型最高溫度為123.11℃，熱阻為1.62K/W。

四、總結

總而言之，根據筆者的相關研究發現，本次研究中基板對散熱效率的影響最高，其次為焊接材料，約為封裝基板的1/14，底部填充物的導熱率對封裝過程的散熱效率影響最小，并且三者增加材料的導熱率均能降低模型最高溫度和熱阻，提高散熱性能。所以在實際的研究過程中，相關研究人員應該更注重基板對散熱過程的影響。在實際的生產過程中，還應該結合不同的生產需求進行相應的調整，為推動CSP在我國的本土化應用做出貢獻。

參考文獻

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