CSP封装散热工艺影响探究

洪美钦

摘  要：CSP封裝散热工艺在某种程度上决定了CSP封装技术的最终成果，本文主要基于笔者的实验研究和查阅资料，首先就CSP封装工艺流程进行了简述，然后结合AHSYS Icepak热分析软件，从焊接材料、基板和底部填充物三个角度，对CSP封装散热工艺的影响因素进行了探究。

关键词：CSP;散热;仿真

一、序言

伴随着我国对信息技术研究的拓展，芯片技术已经成为了国家重点研究对象。CSP封装技术是由日本三菱企业与上世纪九十年代末所提出来的一种封装形式，现在已经作为国际上的通用的芯片封装技术而使用。本文主要针对CSP封装技术中的散热工艺进行研究，当前国内针对CSP封装散热工艺的研究明显滞后于国外，所以笔者在综合国内外的优秀研究基础上对CSP封装散热工艺进行了相应的优化。

二、CSP封装工艺流程

CSP封装工艺的本质是现有封装形式的升级，也被称为狭窄间距的BGA，从流程上来说大致可以分为晶圆级工艺、晶片级工艺和塑料成型工艺三个阶段。晶圆级工艺是针对晶圆进行制备和切割，同时对切割好的晶片进行检查;晶片级工艺阶段是晶片和引线的键合，然后针对键合的质量进行检测;塑料成型工艺阶段最为复杂，包括了针对产品的塑料包装和激光打标，同队在后续硬化的同时进行植球操作和回流焊接，最后进行相应的测试和检查。本次CSP封装散热工艺的研究也是主要集中在塑料成型工艺阶段，根据相关的热仿真实验结果，笔者认为CSP封装工艺的影响因素主要集中在焊接材料、基板和底部填充物三个方面。

三、CSP封装散热工艺影响因素

本文的实验结果是基于计算机仿真技术和计算流体力学对CSP封装工艺进行的热仿真分析，使用的是AHSYS Icepak热分析软件，通过输入笔者日常接触的相关参数来进行处理和求解，最终得到相应的仿真成果。

1.焊接材料

为了更加直观的了解焊接材料对CSP封装散热性能的影响，笔者将焊接材料的导热率设置为了320、160、80、40、20W/m·K，结果发现随着焊接材料导热系数的减少，模型最高温度为下降趋势，模型最低温度为上升趋势。说明在相同厚度和面积的情况下，导热率的减少能够减小热量的传道，从而阻止最高温度的降低。另外从实验结果笔者了解到，从320到160 W/m·K阶段的最高温度没有改变，而从100W/m·K往下，其最高温度呈上升趋势。所以在实际生产工作时，要结合材料本身的气孔、杂质和导热率来对焊接材料进行综合调整，尽量升高焊点的导热率来增加封装过程的散热。

2.基板

针对基板材料的研究，笔者同样采用了控制变量的方法，将基板的导热率设置为了300、200、100、50、10 W/m·K，根据热仿真的结果，笔者发现随着基板导热率的减少，在300到50 W/m·K范围内，模型的最高温度变化并不明显，但是从50W/m·K往下，模型的最高温度变化非常明显，呈指数上升的趋势。说明随着基板导热率的减少，更多的热量不会传递至散热器，从而影响散热工艺的发挥。同时在设计基板时对于导热率较高的基板可以适当增加其厚度，选取总热阻最小时的厚度，能够提高散热的效率。

3.底部填充物

底部填充物不仅可以增强焊点的机械性能，而且对热量的传导有一定作用。针对底部填充物的研究，笔者设置了10.0、6.0、3.0、1.0、0.5W/m·K五种不同的导热率，与设置焊接材料和基板导热率的方法相似，在低导热率时将梯度设置较低，在高导热率时将梯度设置较高，采用控制变量的方法控制焊接材料和基板的导热系数分别为58W/m·K和30W/m·K。随着底部填充物导热率的增加，模型最高温度呈下降趋势。

通过建模和模拟的手段从材料方面研究了焊接材料、封装基板、底部填充物对CSP的散热性能影响，并分析了各部分所使用的材料对模型最高温度和热阻的影响程度。在该模型中，当焊接材料导热率趋于无穷时，模型最高温度为125.6℃，热阻为1.75K/W;当基板材料导热率趋于无穷时，模型最高温度为120.32℃，热阻为1.41K/W;当底部填充物材料导热率趋于无穷时，模型最高温度为123.11℃，热阻为1.62K/W。

四、总结

总而言之，根据笔者的相关研究发现，本次研究中基板对散热效率的影响最高，其次为焊接材料，约为封装基板的1/14，底部填充物的导热率对封装过程的散热效率影响最小，并且三者增加材料的导热率均能降低模型最高温度和热阻，提高散热性能。所以在实际的研究过程中，相关研究人员应该更注重基板对散热过程的影响。在实际的生产过程中，还应该结合不同的生产需求进行相应的调整，为推动CSP在我国的本土化应用做出贡献。

参考文献

[1]  刘超，傅仁利，顾席光，周鸣，田扬，蔡君德.芯片级LED封装光源结构散热性能的数值模拟[J].激光与光电子学进展，2016，53（12）：240-249.

[2]  李磊. 三维叠层CSP/BGA封装的热分析与焊点可靠性分析[D].电子科技大学，2006.