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科普分享 | 半导体芯片封装原理简介及芯片封装类型图解(一)

PCBA互联密度发展时间轴:

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qja

  a.最早也是最常用的标准之一
  b.定义标准由文件 JESD51-2给出

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  c.Ta = 环境空气温度, 取点为 JEDEC组织定义的特定空箱中特定点 (Still-Air Test)
  d.芯片下印制板可为高传导能力的四层板(2S2P)或低传导能力的一层板之任一种 (1S0P)

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qjma

  a.空气流速范围为 0-1000 LFM

  b.定义标准由文件 JESD51-6给出

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  c.Ta = 空气温度,取点为风洞上流温度

  d.印制板朝向为重大影响因素

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qjc

  a.从结点到封装外表面(壳)的热阻,外表面壳取点尽量靠近Die安装区域

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qjb
  a.从结点至印制板的热阻
  b.定义标准由文件 JESD51-8给出
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严格地讲,Theta-JB不仅仅反映了芯片的内热阻,同时也反映了部分环境热阻,如印制板。正因如此, 

Theta-JB相对于其它热阻而言,虽然JEDEC组织在99年就发布了它的热阻定义方式,但是芯片供应商

采用较慢。

       部份传热路径严重不对称芯片,如TO-263目前尚无该热阻的定义标准。
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  a.qjx 试图采用简单的热阻表示复杂的芯片传热现象

  b.芯片内部的热传现象非常复杂,无法使用热阻来完美表示;

  c.热阻qjx 无法用于准确预测芯片的温度,只能提供定性的热性能对比;

  d.如需准确预测特定工况下芯片的温度,我们需要其它的方法



                                                             芯片的详细模型

建立所有芯片内部所有影响传热的结构

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                                                                      热阻网络模型-DELPHI模型

     DELPHI 项目:从1993年到1996年,由欧盟资助,Flomerics公司负责协调,Alcatel Bell 、Alca

telEspace 、Philips CFT 、Thomson CSF 、Flomerics 、NMRC 等公司合作,旨在开发芯片的简化热

模型的精确表示方法。

     PROFIT项目:同样由欧盟资助,由Philips公司负责协调,Flomerics、Nokia、Infineon、Philips、

ST、Micred、TIMA、等公司合作,旨在开发芯片热模型的快速建立方法。

  项目产生了一系列成果,如芯片的热阻网络模型DELPHI标准、JEDEC组织认证的唯一热模型库FLO

PACK、芯片热应力分析工具Flo/stress等。

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                                                                       PROFIT 项目

PRediction OF temperature gradients Influencing The quality of electronic products

                                                                   DELPHI项目

DEvelopment of Libraries of PHysical models for an Integrated design environment



                                                      DELPHI模型生成原理

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                                                                         PBGA封装模型的建立

a.PBGA封装特点?
  1.有机基片Organic substrate
  2.使用焊球(Solder balls)作为二级互联
b.主要应用: ASIC’s, 内存, 图形显示,芯片组,通讯等
c.PBGA封装优缺点?
  1.I/O密度高;
  2.基片材BT具有较好的电性能;
  3.加工工艺类似PCB板,成本低廉
  4.非气密封装,不适合于长时工作的芯片或军用芯片
  5.Die与基片(Substrate)间的CTE不匹配;
  6.如功耗大于2W,则可能需要加强散热手段
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                                                                           主要类型的PBGA封装

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a.由die-up PBGA变化而来;

  1.别名: FSBGA, ChipArrayTM;

  2.焊球间隙较小;

  3.可归类为 Near-CSP;

  4.建模也较困难;

  5.焊球间隙典型值为1mm,0.8mm,0.65mm,0.5mm,0.4mm;

  6.经常缺少明显可见,比Die尺寸大的Die Pad,因为Die大小与封装大小相近;

  7.基片(substrate)中每个信号过孔都必须单独建出;

  8.在FLOPACK中,别名ChipArrayTM;

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a.最常见的Die-down PBGA芯片为Amkor 公司的SuperBGATM ,但是SuperBGA中无上图结构中的加强环(Stiffener Ring)

b.Spreader(铜合金)可直接与散热器相连,良好的散热性能,可处理功耗8-10W

c.如无加强环(Stiffener Ring),则塑料基片与Spreader直接相连。



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a.因电气性能良好,应用越来越广泛
b.因布线考虑,很难在Die下方布热过孔,故信号过孔会对散热有较大影响

c.基片(substrate)复杂,一般中间层为BT层,两边另附有其它层。



                                                 Flip-Chip PBGA的散热加强手段

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                                                      Metal Cap与Lid可能由铝与铜制

建模时需特别注意Cap/Lid Attach的厚度与材质,因为该类芯片功耗一般较大,主要热阻的组成部分之一Attach

即使有较小的误差,也会引起结温和热阻值Theta-JC估计较大的误差。


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