2.5D封装热性能CFD分析：精准预测，优化设计

本文译自：Computational Analysis on Thermal Performance of 2.5D Package

Takashi Hisada and Yasuharu Yamada

IBM Tokyo Laboratory, IBM Japan, Ltd., NANOBIC, 7-7, Shinkawasaki, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa 212-0032, Japan

(Received July 31, 2014; accepted November 27, 2014)

摘要

2.5D封装技术 已经广泛应用在大功耗芯片设计中。本文采用计算流体力学 (CFD)，分析了不同冷却方案(无Lid、有Lid和Lid加散热器)对封装热性能的影响。同时还研究分析流速和功耗对芯片的影响。

关键词：中介层，2.5D封装，热分析，冷却，半导体器件，计算流体力学，倒装芯片

1、说明

略

2、CFD模型

2.1 假定封装

图1显示了在本研究中研究的封装。图2显示了(A)MCM FCPBGA和(B)FCPBGA 中介层的顶视图。表1列出了详细的封装假设。图1(A)和图2(A)

（a）是传统MCM FCPBGA封装，有15mm×15mm逻辑芯片和10mm×7mm存储芯片安装在4-2-4基板上。在本研究中，假定有三种冷却方式：无Lid（Lidless）、有Lid及散热器。图1(a)MCM FCPBGA无Lid封装，图1(b)是有Lid和散热器。Lid通过粘合剂附着在基板上，并通过热界面材料 (TIM)连接逻辑芯片和存储芯片上。一个散热器通过热界面材料安装在Lid上。在本文中，芯片和Lid之间的界面材料称为TIM1，而Lid和散热器之间的TIM称为TIM2。假设Lid材料为Cu，散热器为Al。在本研究中，逻辑芯片与Lid之间的键线厚度(BLT)设定为比存储芯片与盖子之间的键线厚度更薄，因为逻辑芯片具有较高的功耗。图1(c)和图2(b)是一插装FCPBGA，它在芯片和有机衬底之间有100μm厚的插接器，以Si和玻璃材料为中介层材料。10μm厚的再分布层 (RDL)假定在顶部，其总厚度为100μm.所有封装尺寸均为42.5mm×42.5mm。Si和玻璃尺寸均为27×27 mm。由于中介层上比较精细，故假定插入式FCPBGA的基片厚度比MCM FCPBGA薄。逻辑芯片与存储器 芯片之间的间隙设置为：MCM FCPBGA为3.0mm，中介层FCPBGA为0.375 mm。

2.2材料属性

表2列出了本研究所用材料的热性能 。根据除玻璃和RDL外的其他材料供应商提供的典型值，对各种FCPBGA进行了实验研究 。文献中提到了玻璃和RDL聚合物 的热导率值。[6]标有*的热导率值是用Mentor Graphics FloTHERM Pack提供的数值。表2列出了每种材料的组成。所有块体材料都假定为各向同性材料，但如表所示，有些材料是各向异性 的，因为Cu布线和VIA的典型设计在RDL和衬底上不是各向同性的。在MCM FCPBGA基片上，设置了两个区域定义。一种是连接芯片的区域，另一种是芯片外部的区域。芯片下的区域通常具有较高的通孔密度，而芯片外部的区域通常具有较高的布线密度。这些假设给出了不同衬底面积的各向异性导热系数的差异。在中介层FCPBGA的情况下，中介层连接在基板上。中介层FCPBGA的布线和通孔密度被设置为低于MCM FCPBGA，因为芯片附着在中介层上，而信号在该区域上。在此分析中，中介层FCPBGA的高透光性面积限制在封装中心的13 mm×13 mm。针对类似的FCPBGA应用，考虑典型的热通孔设计，确定了高热通孔面积的大小。在产品设计中可以扩大区域，但在该区域内路由信号轨迹的灵活性降低。需要通过优化热和其他特性(如电气)来定义高通孔区域.

表2 热性能参数表

2.3分析模型

图3显示了中介层FCPBGA与散热片贴在盖子上的分析模型图。封装体安装在JEDEC JESD 51-9[7]标准热板上。热板尺寸为127mm×139.5 mm，厚度为1.6mm。热板的金属层为四层，假设为2s2p结构。中心设置20 mm×20 mm高通孔区.如图所示，假定空气方向来自逻辑芯片侧到存储器芯片侧。图4显示了外部散热器分析模型的图像。外部散热器的大小和形状遵循表1所列本案例研究 的封装。散热片的尺寸大于封装外尺寸。散热片 通常是用螺钉等机械方法固定在板上的，但在本研究中没有对机械夹具的细节进行建模。图5显示了插入式FCPBGA与散热片贴在盖子上的分析模型的横截面 图.MCM、FCPBGA和中介层FCPBGA的总网格数分别为767891和587140。图6显示了MCM FCPBGA分析模型的横断面图 .

表3列出了本研究的9种验证方案。

表3 主要验证方案

2.4分析条件

本研究中使用的分析工具是FloTHERM V10按JEDEC JESD 51-6确定条件。[8]空间尺寸设置为300 mm(气流方向)×340 mm×200 mm(板向和封装堆叠方向)。存储器芯片的功耗固定在1W，逻辑芯片的功耗分别为5、10、20、40和80W。将环境温度设为20°C，流速变化为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5和3.0m/s，考虑了热传导和强迫对流，忽略热辐射。外散热片翅片通道雷诺数 为850，在最高空气流量(3.0m/s)下，特征长度假定为翅片到翅片空间的两倍(2×2.15mm)。考虑到外散热器翅片的传热是最重要的，所以在整个模型中，考虑了层流的强迫对流 。

3.结果及讨论

图7显示了逻辑芯片在10W、流速2.0m/s时，三种封装的温度云图。

图8是逻辑芯片在10W下的温度与气流的关系。图8显示了芯片温度随气流的增加而单调下降的合理结果，但带Lid、散热在高风速下下降缓慢。在逻辑芯片功耗为10W、无Lid封装气流为2.0m/s的情况下，逻辑芯片的温度分别为104.5°C、110.3°C和124.1°C。在本分析模型中，MCM FCPBGA芯片下具有较大的高通孔区.这是MCM FCPBGA逻辑芯片温度低于Si中介层FCPBGA或玻璃中介层FCPBGA的原因。玻璃中介层FCPBGA比Si中介层FCPBGA的逻辑芯片温度高14°C。这只是因为玻璃热导率 较低。MCM FCPBGA逻辑芯片与存储芯片的温差最高(21.9°C)，硅中介层芯片的温差最低(10.2°C)。MCM FCPBGA被假定在芯片下有单独的高通孔区.此外，用于MCM FCPBGA的逻辑芯片和存储器芯片之间的间隙也大于中介层FCPBGA。由于设计假设和材料性能的原因，MCM FCPBGA芯片下有机基板的导热系数 (XY)低于Si或玻璃中介层芯片(FCPBGA)的导热系数(XY)。这就是为什么MCM FCPBGA在逻辑芯片和存储器芯片之间存在最大差异的原因。这些可以从图7中的图中看到。

无Lid封装大大降低了逻辑芯片和存储芯片的温度，如图8所示。MCM FCPBGA封装逻辑芯片温度降低28.2°C，硅中介层FCPBGA降低31.1°C，玻璃中介层FCPBGA降低43.7°C。此外，有Lid带散热片的情况下，MCM FCPBGA逻辑芯片降低温度46°C，硅中介层FCPBGA降低49°C，玻璃中介层FCPBGA降低50°C。在选择Lid和Lid带散热器的情况下，逻辑芯片与存储芯片之间的温差很小(2~3℃)。高热导率Lid和散热器让逻辑芯片和存储芯片的温度拉平均。在高功率 逻辑芯片和低流速的情况下，由于存储芯片的工作温度一般低于逻辑芯片的工作温度，需要仔细考虑这一影响。

图9、图10和图11显示了在三种不同气流速率下，无Lid、有Lid和散热器的逻辑芯片温度和功耗之间的关系。这些图中的所有图都表明了逻辑芯片温度随功耗的增加而单调增加。对于无Lid和加Lid，由于芯片温度升高过高，40W和80W的数据点未显示。在无Lid的情况下，三个封装配置之间存在显著差异，如图9、假设逻辑芯片的最高工作温度为125°C，无Lid中玻璃中介层FCPBGA的临界功率约为10W。在有Lid的情况下，Si中介层FCPBGA和玻璃中介层FCPBGA非常接近，如图10。然而，MCM FCPBGA中逻辑芯片的温度明显低于中介层FCPBGA。这可能是热板的原因，在设置中为基板设置了不同的值。在2.0m/s或更高的气流条件下，中介层FCPBGA的临界功率约为18W。另一方面，在Lid加散热器的情况下，三个封装结构之间没有显著差异，如图11。图12显示了逻辑芯片80W功耗和3.0m/s气流下玻璃中介层FCPBGA散热的等值线图，散热器安装在盖子上。逻辑芯片温度为85.9°C，存储器芯片温度为66.2°C。主要散热途径通过Lid、散热器底部和散热器。在这种气流速率 下，即使在逻辑芯片的功耗为80W时，存储芯片的温度也可以很好地管理。

图13显示采用Si中介层FCPBGA封装时，逻辑芯片在5W、0.5m/s流速，三种情况下热量的流动通道。图1表明主要的热流路径是从芯片底部到中介层和基板。逻辑芯片产生的热量有94.0%流向底部。加Lid、加散热器，顶部热流逐步增加，直到顶部为主要散热路径，达到了86%。

图14显示了逻辑芯片的热流在三个封装组合配置和散热方式下的分布。同样是，5W、0.5m/s。三个封装趋势相似。当增加Lid及散热器后，热流将以顶部为主，尤其是玻璃中介层FCPBGA的比例最高。

本案例研究是以固定的封装尺寸、芯片尺寸、Lid盖子尺寸和散热器尺寸，但这些都是影响封装热性能的重要因素。当设计参数改变时，上述讨论的芯片温度会发生变化。这些设计参数对2.5D封装的影响还有待进一步研究。虽然本文所得到的结果没有经过实验验证，但我们认为这些结果对于对所研究的封装和条件进行比较评估是可靠的，因为在我们先前的分析中，对各种FCPBGAs使用的建模 参数已经进行了实验验证。

4、结论

热分析 采用三种封装结构和三种冷却方案相结合，假设两个芯片并排安装在基板上，然后安装在JEDEC热板上。研究结果总结如下：

(1)在无Lid的情况下，与Si或玻璃中介层FCPBGA相比，MCM FCPBGA的基板具有较大的高通孔密度，使得逻辑芯片的温度最低。玻璃中介层 被认为是热板散热的阻碍因素。对于成本敏感的产品，无Lid是很好的选择，在无Lid选择的情况下，硅中介层 比玻璃中介层更有优势。然而，通过在中间层和衬底上设计优化，可以在一定程度上改善散热效果。玻璃中介层FCPBGA的临界功率约为10W。

(2)在有Lid的情况下，Si中介层FCPBGA与玻璃中介层FCPBGA之间没有显着性差异，因为Lid的散热占优势。在本研究中使用的假设条件下，2.0m/s下，中介层FCPBGA的临界功率 约为18W。采用MCM FCPBGA的逻辑芯片温度仍然较低，这是因为基板的高通孔面积较大。

(3)在安装散热器的情况下，三种封装结构之间没有明显的差异，这意味着散热器的散热占主导地位，在这种情况下，从基板到热板的散热是可以忽略不计的。