芯片封装及其热特性分析
本文摘要（由AI生成）：
本文概述了不同封装形式元器件的热特性，包括BGA、TO、QFP、QFN/DFN等。BGA封装以其二维连接形式提供了较大的传热面积，而TO封装则面临较大的散热阻力。QFP封装虽然引脚是传热的重要途径，但整体热阻较高。QFN/DFN封装体积小，通过裸焊盘直接与PCB连接，提供了良好的散热性能。随着芯片集成度提高，散热设计面临挑战，热科学可能成为半导体行业进步的关键。
节选自陈继良《从零开始学散热》
电子产品中，信号的连接有6个等级，分别为：
0级连接：晶圆内部门电路之间的连接；
1级连接：晶圆与封装外围电路之间的连接；
2级连接：元器件与单板之间的连接或元器件与元器件之间的连接；
3级连接：PCB之间的连接，如装有多块单板的背板或主板；
4级连接：子系统之间的连接，如插箱；
5级连接：独立系统之间的连接，如网线连接。
图5-11 1~3级连接示意图[9]
芯片封装热特性一般只涉及1级连接和2级连接（图5-12），但对于一些超高功率密度、需要在芯片内部实施微纳尺度冷却通道的芯片还需要考虑0级连接。
图5-12 典型PBGA封装元器件的一级连接和二级连接
注：上述各个组成部分的材料参数参考的是典型元器件中可能出现的物质。部分特殊的封装，材料类型及性质可能会有变化。
5.1 BGA—Ball Grid Array Package 球栅阵列式封装
图5-13 典型裸die封装各组成部分
5.2 TO——Transistor Outline Package晶体管外形封装
图5-14 TO封装元器件示意图
5.3 QFP—— Quad Flat Pack 四边扁平封装
四边扁平封装的元器件，其二级连接是一维分布，即只分布在芯片四边。四周管脚通过键合线与内部晶圆进行一一对应连接，管脚另一侧连接到单板上。
图5-15 QFP封装外形示意及典型内部结构和材料分布简图
从热特性角度分析，QFP封装的元器件有如下特征：
1) 热阻高，引脚成为传热的重要途径（一般仍<15%） ；
2) 多数QFP芯片底部不与单板接触，底部加热过孔收效甚微。特殊情况下可以在底部施加界面材料，连通芯片底壳和单板，降低结板热阻；
3) 顶部由于大多采用塑料封装，结壳热阻也比较大；
4) 内部铜合金焊盘有助于在包覆材料内部均热;
5) 塑料包覆材料导热系数，当晶圆相对封装尺寸较小时，芯片正顶部温度较高，金属散热片均热效果好，可能导致热量回流，致使管脚温度变高。当管脚温度是芯片热可靠性控制参数时，应当注意热量的引流方向（如应加高而不是加长、加宽散热器）。
图5-16 QFP封装芯片的热量回流现象（红色箭头表示热量流动路径）
5.4 QFN/DFN —— (Quad/DualFlat No-Lead)四边/双边无引脚扁平封装
QFN和DFN是由QFP封装演变而来。其最大区别是将四边管脚收至芯片内部，使得芯片封装体积大大缩减。
图5-17 QFN/DFN和QFP/DFP封装芯片尺寸对比（管脚数相同）
QFN的基本热特性如下：
1)QFN中die所占封装的比例往往很大，故Rjc和Rjb都较小；
2)主要传热路径：Die à焊盘à裸焊盘 à PCB；
3)次要传热路径：Lead；
4)QFN芯片底部一般直触PCB地层，因此芯片板下添加热过孔可以有效加强散热。
图5-18 QFN芯片内部结构及其单板之间的连接示意图
参考文献：
[1] 李可为. 集成电路芯片封装技术.第二版[M].电子工业出版社,2013.
[2] 杨世铭, 陶文铨. 传热学第三版[M]. 高等教育出版社, 1998.
[3] Darvin Edwards, Hiep Nguyen. Semiconductor and IC PackageThermal Metrics. 2016.等等
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