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摘 要：该文介绍了数字接收机ASIC芯片的封装模型与工艺，分析了该芯片的散热模型与散热方式。通过ABAQUS软件，仿真分析了ASIC芯片在自然对流、空气强迫对流以及液冷三种散热条件下的温度分布，仿真结果为后续ASIC芯片的正常使用提供了可靠依据。
关键词：ASIC 封装 热量 仿真
中图分类号：TN312.8 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（c）-00-02
封装对于芯片来说是非常重要的，它不仅起着保护芯片和增强导热性能的作用，而且还是沟通芯片内部结构与外部电路的桥梁。芯片的封装技术已经历了好几代的变迁，从双列直插封装（DIP）、四边引线扁平封装（QFP）、插针网格阵列封装（PGA）、球栅阵列封装（BGA）、芯片尺寸封装（CSP）到系统级封装（SiP），技术指标一代比一代先进，芯片面积与封装面积之比越来越接近于1，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等。
由于芯片封装尺寸越来越小，且集成电路的密度不断增大，这导致芯片功率密度提高，集成电路单位体积发热量增加。如果芯片封装外壳不能及时将热量散发出去，芯片温度会不断升高，这种由于温度升高引起芯片失效称为“电子热失效”。
电子热失效是因为电流通过引脚以及晶体管组成的半导体器件受到一定的阻抗后，将这部分电能转化为热量，导致芯片内部温度升高。当温度上升到某一值时，芯片将因失效而瞬间停止工作，甚至引起封装材料的燃烧。
除了高温引起的实效外，温度升高还会引起其他失效模式，如寄生化学反应、杂质扩散和因各种封装材料的热膨胀系数不匹配导致的热应力所引起的机械实效等。因此，热设计和散热技术的研究已受到电子封装业界的广泛重视，也是高密度电子封装设计不可缺少的一个关键环节。
该文提及的ASIC芯片主要应用于数字接收机。多路ADC分别采集射频前端的模拟信号后，将数字信号并行输入到ASIC芯片，而ASIC芯片则计算输出雷达信号的脉冲描述字。ASIC封装芯片能否长时间正常工作，其散热是关键。该文首先建立了该ASIC芯片的封装模型，然后对其进行热分析与仿真，这为ASIC芯片的封装提供了有力保障。
1 ASIC封装模型
ASIC芯片的封装模型，如图1所示。封装基板采用BT材料，其特点是线宽/线距小，基板厚度薄，主要应用于高密度、高速的封装基板。封装材料选用环氧树脂，固化后具有良好的粘接性、电绝缘性、耐化学腐蚀性，且收缩率小，外形尺寸稳定性好，该树脂已广泛应用于各类塑封芯片。ASIC芯片采用BGA封装，其裸片尺寸为6.54 mm×6.54 mm，芯片封装体积为17 mm×17 mm×1.7 mm，BGA焊球数为400，其中BGA焊球直径为0.4 mm，球间距为0.8 mm。
图2显示了ASIC芯片的封装工艺流程。首先，将BT基板烘干处理，采用导电胶将ASIC裸片粘贴在BT基板上并固化，接着对裸片进行金丝焊接，并利用等离子清洗残胶，然后对芯片进行环氧树脂塑封，待树脂固化后在其表面打标，最后将ASIC芯片植球，进行回流处理。
2 热分析与仿真
ASIC封装芯片的散热好坏将直接影响芯片是否正常使用，在完成对ASIC芯片的封装建模后，有必要对封装芯片进行详细的散热分析与仿真。
ASIC封装芯片的散热途径分为内热通道、外热通道。从ASIC裸片热源到封装外壳为内热通道，内热通道的主要传热方式为热传导。对于最简单的一维方式，热量Q从材料一端到另一端表达式如下：
Q1=k·AT2-T1L （1）
其中，k为材料的导热系数，L为材料的导热长度，A为材料的截面，T1、T2分别为材料两端的温度。可见，内热通道的散热效果主要取决于材料特性与结构尺寸。
从ASIC封装外壳表面到环境空间为外热通路，外热通路的主要散热方式为对流和辐射。外热通路的设计主要取决于冷却方式、电路板与系统的组成。
ASIC封装芯片外热通道的辐射热量可表示为：
其中，ε为表面辐射率（0≤ε≤1），为斯蒂芬-玻尔兹曼常数（σb=5.67×10-8W/m2·K4），Fca为辐射角系数，A为辐射面积，T为热源的绝对温度，Ta为周围环境的绝对温度。由于封装芯片表面温度一般较低，故可忽略辐射换热。
ASIC封装芯片外热通道的对流换热，可采用以下方程表示：
Q3=h·A′·（Tp-TL） （3）
其中，h为对流换热系数，A′为封装芯片的换热面积，TL为流体温度，Tp为封装芯片的壁面温度。可见，h、A′越大，散热效率越高。但h不是一个常数，而是随着对流的类型（强迫对流、自然对流）、空气流速以及特征尺寸变化的。
ASIC封装芯片外热通道的对流散热方法主要包括空气自然对流、空气强迫对流以及液冷等。ASIC封装芯片的热分析模型，如图3所示。将ASIC封装芯片放置于PCB板上，采用ABAQUS软件分析ASIC封装芯片在自然对流、空气强迫对流以及液冷三种方式下的散热情况。
ASIC芯片采用塑封BGA方式，裸芯片功耗为4W，为了提高芯片的散热效果，封装选用高导热系数的塑封材料。ASIC封装芯片中各种材料的导热系数，如表1所示。
自然对流散热的关键是选择合适的材料和封装结构，尽量降低封装内部各传热路径的热阻，形成低热阻热流通道，保证ASIC封装芯片在合适的温度范围内正常工作。自然对流优点是可靠性高，成本低，不需要风扇或泵等冷却驱动装置，自然对流主要应用于热流密度不高的封裝芯片。在进行自然对流仿真时，在ASIC封装芯片上表面放置热沉，可提高ASIC封装芯片的散热效果。在环境温度为85 ℃且采用自然对流（换热系数h值约为5～10）条件下，ASIC封装芯片的温度分布如图4所示。仿真结果表明：在自然对流情况下，ASIC裸芯片最高温度为114.3 ℃，接近其最高结温（一般大于125 ℃），且增大热沉与空气的接触面积对降低温度效果不明显，所以自然对流不能很好的解决ASIC封装芯片的散热 问题。
为了减小ASIC封装芯片的温度，可采用风扇驱动空气流动带走热量的空气强迫对流，提高对流换热系数，加快空气流速。图5为ASIC封装芯片在环境温度为85 ℃，空气强迫对流条件下（h=30 W/（m2·℃））的温度分布。仿真结果表明：30时，ASIC裸片最高温度104.4 ℃，仿真结果满足设计要求。通过增大热沉与空气的接触面积，可以进一步降低ASIC封装芯片的温度。
在分析自然对流和空气强迫对流时，在ASIC封装芯片上表面放置了一热沉。而在某些应用中，无法为ASIC封装芯片提供大尺寸热沉，这时可考虑采用液冷方式对ASIC封装芯片进行散热处理。液冷适用于热流密度较高的封装器件。由于液体的导热系数和比热均比空气大，因此采用液冷方式可减小有源换热环节的热阻，极大提高冷却效率。在进行液冷仿真时，为ASIC封装芯片上表面提供70 ℃液冷面，其仿真结果如图6所示。可见，在环境温度为85 ℃时，采用70 ℃液冷散热，ASIC封装芯片裸片最高温度只有80.47 ℃，远低于其最高结温，仿真结果满足设计要求。
3 结语
该文建立了数字接收机ASIC芯片的封装模型，该封装采用高导热系数的塑封BGA方式。通过对ASIC封装芯片进行热分析，仿真结果表明：ASIC封装芯片采用空气强迫对流和液冷方式进行散热能够满足设计要求，这为后续ASIC封装芯片的正常使用提供了有力的理论依据。
参考文献
[1] Rao R.Tummala.Fundamentals of Microsystems Packaging[M].New York：McGraw-Hill，2001.
[2] L.T.Yeh.Review of Heat Transfer in Electronics Equipment[J].ASME Journal of Electronics Packaging，1995，117：333-339.
[3] Z.Johnson.Designed Based Thermal Simulation Methodology for Ball Grid Array Packages，Proc 6th Intersoc.Conf.Thermal Phenom.Electron.Syst.（ITHERM），1998：82-87.
[4] Bruce Guenin.Conduction Heat Transfer in a Printing Circuit Board[J].Electronics Cooling Magazine，2001，2（4）：98.
[5] 田民波.电子封装工程[J].北京：清华大学出版社，2003.
[6] 曾理，陈文媛.集成电路封装高密度化与散热问题[J].电子与封装.2006，6（9）：15-21.
[7] 鲜飞.芯片封裝技术的发展趋势[J].中国集成电路，2006，15（2）：73-76.
[8] 黄卫东，罗乐.封装结构与材料导热系数对FC-BGA热性能的影响[J].电子与封装，2007，7（8）：11-16.
关键词：ASIC 封装 热量 仿真
中图分类号：TN312.8 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（c）-00-02
封装对于芯片来说是非常重要的，它不仅起着保护芯片和增强导热性能的作用，而且还是沟通芯片内部结构与外部电路的桥梁。芯片的封装技术已经历了好几代的变迁，从双列直插封装（DIP）、四边引线扁平封装（QFP）、插针网格阵列封装（PGA）、球栅阵列封装（BGA）、芯片尺寸封装（CSP）到系统级封装（SiP），技术指标一代比一代先进，芯片面积与封装面积之比越来越接近于1，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等。
由于芯片封装尺寸越来越小，且集成电路的密度不断增大，这导致芯片功率密度提高，集成电路单位体积发热量增加。如果芯片封装外壳不能及时将热量散发出去，芯片温度会不断升高，这种由于温度升高引起芯片失效称为“电子热失效”。
电子热失效是因为电流通过引脚以及晶体管组成的半导体器件受到一定的阻抗后，将这部分电能转化为热量，导致芯片内部温度升高。当温度上升到某一值时，芯片将因失效而瞬间停止工作，甚至引起封装材料的燃烧。
除了高温引起的实效外，温度升高还会引起其他失效模式，如寄生化学反应、杂质扩散和因各种封装材料的热膨胀系数不匹配导致的热应力所引起的机械实效等。因此，热设计和散热技术的研究已受到电子封装业界的广泛重视，也是高密度电子封装设计不可缺少的一个关键环节。
该文提及的ASIC芯片主要应用于数字接收机。多路ADC分别采集射频前端的模拟信号后，将数字信号并行输入到ASIC芯片，而ASIC芯片则计算输出雷达信号的脉冲描述字。ASIC封装芯片能否长时间正常工作，其散热是关键。该文首先建立了该ASIC芯片的封装模型，然后对其进行热分析与仿真，这为ASIC芯片的封装提供了有力保障。
1 ASIC封装模型
ASIC芯片的封装模型，如图1所示。封装基板采用BT材料，其特点是线宽/线距小，基板厚度薄，主要应用于高密度、高速的封装基板。封装材料选用环氧树脂，固化后具有良好的粘接性、电绝缘性、耐化学腐蚀性，且收缩率小，外形尺寸稳定性好，该树脂已广泛应用于各类塑封芯片。ASIC芯片采用BGA封装，其裸片尺寸为6.54 mm×6.54 mm，芯片封装体积为17 mm×17 mm×1.7 mm，BGA焊球数为400，其中BGA焊球直径为0.4 mm，球间距为0.8 mm。
图2显示了ASIC芯片的封装工艺流程。首先，将BT基板烘干处理，采用导电胶将ASIC裸片粘贴在BT基板上并固化，接着对裸片进行金丝焊接，并利用等离子清洗残胶，然后对芯片进行环氧树脂塑封，待树脂固化后在其表面打标，最后将ASIC芯片植球，进行回流处理。
2 热分析与仿真
ASIC封装芯片的散热好坏将直接影响芯片是否正常使用，在完成对ASIC芯片的封装建模后，有必要对封装芯片进行详细的散热分析与仿真。
ASIC封装芯片的散热途径分为内热通道、外热通道。从ASIC裸片热源到封装外壳为内热通道，内热通道的主要传热方式为热传导。对于最简单的一维方式，热量Q从材料一端到另一端表达式如下：
Q1=k·AT2-T1L （1）
其中，k为材料的导热系数，L为材料的导热长度，A为材料的截面，T1、T2分别为材料两端的温度。可见，内热通道的散热效果主要取决于材料特性与结构尺寸。
从ASIC封装外壳表面到环境空间为外热通路，外热通路的主要散热方式为对流和辐射。外热通路的设计主要取决于冷却方式、电路板与系统的组成。
ASIC封装芯片外热通道的辐射热量可表示为：
其中，ε为表面辐射率（0≤ε≤1），为斯蒂芬-玻尔兹曼常数（σb=5.67×10-8W/m2·K4），Fca为辐射角系数，A为辐射面积，T为热源的绝对温度，Ta为周围环境的绝对温度。由于封装芯片表面温度一般较低，故可忽略辐射换热。
ASIC封装芯片外热通道的对流换热，可采用以下方程表示：
Q3=h·A′·（Tp-TL） （3）
其中，h为对流换热系数，A′为封装芯片的换热面积，TL为流体温度，Tp为封装芯片的壁面温度。可见，h、A′越大，散热效率越高。但h不是一个常数，而是随着对流的类型（强迫对流、自然对流）、空气流速以及特征尺寸变化的。
ASIC封装芯片外热通道的对流散热方法主要包括空气自然对流、空气强迫对流以及液冷等。ASIC封装芯片的热分析模型，如图3所示。将ASIC封装芯片放置于PCB板上，采用ABAQUS软件分析ASIC封装芯片在自然对流、空气强迫对流以及液冷三种方式下的散热情况。
ASIC芯片采用塑封BGA方式，裸芯片功耗为4W，为了提高芯片的散热效果，封装选用高导热系数的塑封材料。ASIC封装芯片中各种材料的导热系数，如表1所示。
自然对流散热的关键是选择合适的材料和封装结构，尽量降低封装内部各传热路径的热阻，形成低热阻热流通道，保证ASIC封装芯片在合适的温度范围内正常工作。自然对流优点是可靠性高，成本低，不需要风扇或泵等冷却驱动装置，自然对流主要应用于热流密度不高的封裝芯片。在进行自然对流仿真时，在ASIC封装芯片上表面放置热沉，可提高ASIC封装芯片的散热效果。在环境温度为85 ℃且采用自然对流（换热系数h值约为5～10）条件下，ASIC封装芯片的温度分布如图4所示。仿真结果表明：在自然对流情况下，ASIC裸芯片最高温度为114.3 ℃，接近其最高结温（一般大于125 ℃），且增大热沉与空气的接触面积对降低温度效果不明显，所以自然对流不能很好的解决ASIC封装芯片的散热 问题。
为了减小ASIC封装芯片的温度，可采用风扇驱动空气流动带走热量的空气强迫对流，提高对流换热系数，加快空气流速。图5为ASIC封装芯片在环境温度为85 ℃，空气强迫对流条件下（h=30 W/（m2·℃））的温度分布。仿真结果表明：30时，ASIC裸片最高温度104.4 ℃，仿真结果满足设计要求。通过增大热沉与空气的接触面积，可以进一步降低ASIC封装芯片的温度。
在分析自然对流和空气强迫对流时，在ASIC封装芯片上表面放置了一热沉。而在某些应用中，无法为ASIC封装芯片提供大尺寸热沉，这时可考虑采用液冷方式对ASIC封装芯片进行散热处理。液冷适用于热流密度较高的封装器件。由于液体的导热系数和比热均比空气大，因此采用液冷方式可减小有源换热环节的热阻，极大提高冷却效率。在进行液冷仿真时，为ASIC封装芯片上表面提供70 ℃液冷面，其仿真结果如图6所示。可见，在环境温度为85 ℃时，采用70 ℃液冷散热，ASIC封装芯片裸片最高温度只有80.47 ℃，远低于其最高结温，仿真结果满足设计要求。
3 结语
该文建立了数字接收机ASIC芯片的封装模型，该封装采用高导热系数的塑封BGA方式。通过对ASIC封装芯片进行热分析，仿真结果表明：ASIC封装芯片采用空气强迫对流和液冷方式进行散热能够满足设计要求，这为后续ASIC封装芯片的正常使用提供了有力的理论依据。
参考文献
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[6] 曾理，陈文媛.集成电路封装高密度化与散热问题[J].电子与封装.2006，6（9）：15-21.
[7] 鲜飞.芯片封裝技术的发展趋势[J].中国集成电路，2006，15（2）：73-76.
[8] 黄卫东，罗乐.封装结构与材料导热系数对FC-BGA热性能的影响[J].电子与封装，2007，7（8）：11-16.