數字接收機ASIC封裝芯片的熱分析

金珠　陳依軍　王棟

摘 要：該文介紹了數字接收機ASIC芯片的封裝模型與工藝，分析了該芯片的散熱模型與散熱方式。通過ABAQUS軟件，仿真分析了ASIC芯片在自然對流、空氣強迫對流以及液冷三種散熱條件下的溫度分布，仿真結果為后續ASIC芯片的正常使用提供了可靠依據。

關鍵詞：ASIC 封裝 熱量 仿真

中圖分類號：TN312.8 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（c）-00-02

封裝對于芯片來說是非常重要的，它不僅起著保護芯片和增強導熱性能的作用，而且還是溝通芯片內部結構與外部電路的橋梁。芯片的封裝技術已經歷了好幾代的變遷，從雙列直插封裝（DIP）、四邊引線扁平封裝（QFP）、插針網格陣列封裝（PGA）、球柵陣列封裝（BGA）、芯片尺寸封裝（CSP）到系統級封裝（SiP），技術指標一代比一代先進，芯片面積與封裝面積之比越來越接近于1，適用頻率越來越高，耐溫性能越來越好，引腳數增多，引腳間距減小，重量減小，可靠性提高，使用更加方便等。

由于芯片封裝尺寸越來越小，且集成電路的密度不斷增大，這導致芯片功率密度提高，集成電路單位體積發熱量增加。如果芯片封裝外殼不能及時將熱量散發出去，芯片溫度會不斷升高，這種由于溫度升高引起芯片失效稱為“電子熱失效”。

電子熱失效是因為電流通過引腳以及晶體管組成的半導體器件受到一定的阻抗后，將這部分電能轉化為熱量，導致芯片內部溫度升高。當溫度上升到某一值時，芯片將因失效而瞬間停止工作，甚至引起封裝材料的燃燒。

除了高溫引起的實效外，溫度升高還會引起其他失效模式，如寄生化學反應、雜質擴散和因各種封裝材料的熱膨脹系數不匹配導致的熱應力所引起的機械實效等。因此，熱設計和散熱技術的研究已受到電子封裝業界的廣泛重視，也是高密度電子封裝設計不可缺少的一個關鍵環節。

該文提及的ASIC芯片主要應用于數字接收機。多路ADC分別采集射頻前端的模擬信號后，將數字信號并行輸入到ASIC芯片，而ASIC芯片則計算輸出雷達信號的脈沖描述字。ASIC封裝芯片能否長時間正常工作，其散熱是關鍵。該文首先建立了該ASIC芯片的封裝模型，然后對其進行熱分析與仿真，這為ASIC芯片的封裝提供了有力保障。

1 ASIC封裝模型

ASIC芯片的封裝模型，如圖1所示。封裝基板采用BT材料，其特點是線寬/線距小，基板厚度薄，主要應用于高密度、高速的封裝基板。封裝材料選用環氧樹脂，固化后具有良好的粘接性、電絕緣性、耐化學腐蝕性，且收縮率小，外形尺寸穩定性好，該樹脂已廣泛應用于各類塑封芯片。ASIC芯片采用BGA封裝，其裸片尺寸為6.54 mm×6.54 mm，芯片封裝體積為17 mm×17 mm×1.7 mm，BGA焊球數為400，其中BGA焊球直徑為0.4 mm，球間距為0.8 mm。

圖2顯示了ASIC芯片的封裝工藝流程。首先，將BT基板烘干處理，采用導電膠將ASIC裸片粘貼在BT基板上并固化，接著對裸片進行金絲焊接，并利用等離子清洗殘膠，然后對芯片進行環氧樹脂塑封，待樹脂固化后在其表面打標，最后將ASIC芯片植球，進行回流處理。

2 熱分析與仿真

ASIC封裝芯片的散熱好壞將直接影響芯片是否正常使用，在完成對ASIC芯片的封裝建模后，有必要對封裝芯片進行詳細的散熱分析與仿真。

ASIC封裝芯片的散熱途徑分為內熱通道、外熱通道。從ASIC裸片熱源到封裝外殼為內熱通道，內熱通道的主要傳熱方式為熱傳導。對于最簡單的一維方式，熱量Q從材料一端到另一端表達式如下：

Q1=k·AT2-T1L （1）

其中，k為材料的導熱系數，L為材料的導熱長度，A為材料的截面，T1、T2分別為材料兩端的溫度。可見，內熱通道的散熱效果主要取決于材料特性與結構尺寸。

從ASIC封裝外殼表面到環境空間為外熱通路，外熱通路的主要散熱方式為對流和輻射。外熱通路的設計主要取決于冷卻方式、電路板與系統的組成。

ASIC封裝芯片外熱通道的輻射熱量可表示為：

其中，ε為表面輻射率（0≤ε≤1），為斯蒂芬-玻爾茲曼常數（σb=5.67×10-8W/m2·K4），Fca為輻射角系數，A為輻射面積，T為熱源的絕對溫度，Ta為周圍環境的絕對溫度。由于封裝芯片表面溫度一般較低，故可忽略輻射換熱。

ASIC封裝芯片外熱通道的對流換熱，可采用以下方程表示：

Q3=h·A′·（Tp-TL） （3）

其中，h為對流換熱系數，A′為封裝芯片的換熱面積，TL為流體溫度，Tp為封裝芯片的壁面溫度。可見，h、A′越大，散熱效率越高。但h不是一個常數，而是隨著對流的類型（強迫對流、自然對流）、空氣流速以及特征尺寸變化的。

ASIC封裝芯片外熱通道的對流散熱方法主要包括空氣自然對流、空氣強迫對流以及液冷等。ASIC封裝芯片的熱分析模型，如圖3所示。將ASIC封裝芯片放置于PCB板上，采用ABAQUS軟件分析ASIC封裝芯片在自然對流、空氣強迫對流以及液冷三種方式下的散熱情況。

ASIC芯片采用塑封BGA方式，裸芯片功耗為4W，為了提高芯片的散熱效果，封裝選用高導熱系數的塑封材料。ASIC封裝芯片中各種材料的導熱系數，如表1所示。

自然對流散熱的關鍵是選擇合適的材料和封裝結構，盡量降低封裝內部各傳熱路徑的熱阻，形成低熱阻熱流通道，保證ASIC封裝芯片在合適的溫度范圍內正常工作。自然對流優點是可靠性高，成本低，不需要風扇或泵等冷卻驅動裝置，自然對流主要應用于熱流密度不高的封裝芯片。在進行自然對流仿真時，在ASIC封裝芯片上表面放置熱沉，可提高ASIC封裝芯片的散熱效果。在環境溫度為85 ℃且采用自然對流（換熱系數h值約為5～10）條件下，ASIC封裝芯片的溫度分布如圖4所示。仿真結果表明：在自然對流情況下，ASIC裸芯片最高溫度為114.3 ℃，接近其最高結溫（一般大于125 ℃），且增大熱沉與空氣的接觸面積對降低溫度效果不明顯，所以自然對流不能很好的解決ASIC封裝芯片的散熱

問題。

為了減小ASIC封裝芯片的溫度，可采用風扇驅動空氣流動帶走熱量的空氣強迫對流，提高對流換熱系數，加快空氣流速。圖5為ASIC封裝芯片在環境溫度為85 ℃，空氣強迫對流條件下（h=30 W/（m2·℃））的溫度分布。仿真結果表明：30時，ASIC裸片最高溫度104.4 ℃，仿真結果滿足設計要求。通過增大熱沉與空氣的接觸面積，可以進一步降低ASIC封裝芯片的溫度。

在分析自然對流和空氣強迫對流時，在ASIC封裝芯片上表面放置了一熱沉。而在某些應用中，無法為ASIC封裝芯片提供大尺寸熱沉，這時可考慮采用液冷方式對ASIC封裝芯片進行散熱處理。液冷適用于熱流密度較高的封裝器件。由于液體的導熱系數和比熱均比空氣大，因此采用液冷方式可減小有源換熱環節的熱阻，極大提高冷卻效率。在進行液冷仿真時，為ASIC封裝芯片上表面提供70 ℃液冷面，其仿真結果如圖6所示。可見，在環境溫度為85 ℃時，采用70 ℃液冷散熱，ASIC封裝芯片裸片最高溫度只有80.47 ℃，遠低于其最高結溫，仿真結果滿足設計要求。

3 結語

該文建立了數字接收機ASIC芯片的封裝模型，該封裝采用高導熱系數的塑封BGA方式。通過對ASIC封裝芯片進行熱分析，仿真結果表明：ASIC封裝芯片采用空氣強迫對流和液冷方式進行散熱能夠滿足設計要求，這為后續ASIC封裝芯片的正常使用提供了有力的理論依據。

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