ADC芯片对 LTCC 基板工作温度影响

由于系统小型化要求，数字处理分机由原来的机箱缩小为一个表贴器件。通过选用裸芯片采用 SIP 封装的形式，把集成电路 ADC 芯片、ASIC、存储芯片和各类无源元件如电容、电感等集成到一个多层基板上。以现有混合集成技术为基础，主要研究器件装配工艺选择，对于关键器件，采用电磁仿真软件模拟装配方式对性能的影响。通过有限元仿真，分析芯片的散热需求；并详细探讨了基板材料对封装器件散热的影响。

引言

随着电子装备一体化需求，对分系统、模块的体积、质量提出了更高的要求，轻质化、小型化、系统化是未来的整机发展趋势。在微波技术领域中，以 MMIC、RFIC、LTCC、MEMS 等技术为主体，辅之以部分芯片离散元件，采用高密度的 MCM 技术，面向芯片内系统（SOC）和封装内系统（SIP），将微机电、数字电路、中视频 IC、射频和微波电路集成在很小的电路单元内，形成一个微系统，以实现微波前端变频和数字处理功能。

从形态上来看，微系统产品分两个层次。一是芯片集成微系统，指以系统架构和算法为核心，以先进微电子、光电子、微机械为基础，融合集成的集传感、处理、通信、执行、微型电源供电等功能一体的、具有某种系统功能的、芯片级规格的微小型系统，芯片集成微系统是微系统的高级阶段如图 1 所示；二是功能集成微系统，指以系统架构和算法为核心，以微电子、光学（或光电子）、MEMS/NEMS 等技术为基础，从系统工程的角度出发，通过跨学科多专业融合集成设计，采用 SoC/SiP 以及系统级封装集成制造，实现某种系统功能的微型或小型产品。功能集成微系统（如图 2 所示）能较灵活应用各种不同芯片资源和封装互连优势，优化系统性能，避免重复封装，可以缩短开发周期、降低成本并提高了集成度，是当今及今后较长时间的产品形态 。

图 1　芯片集成微系统

图 2　功能集成微系统

现以小型化数字接收机为例，产品由原来一个机箱大小的数字化接收机，通过小型化设计，整体缩小为一个具有同等功能的 SiP 封装表贴器件，长宽大小不超过 50 mm。设计上采用可寻的商业化芯片，自行设计专用芯片，把电路 ADC、ASIC 和无源元件如电容、电感集成到一个封装体内，实现数字信号处理功能。在有限的空间内，采用原有的混合集成器件加电缆集成的方式，体积上不满足要求。须采用多层基板加裸芯片集成的方式，本文重点对芯片集成和散热两方面考虑，研究芯片装配工艺。通过仿真软件 HESS、ANSYS 进行电、热性能仿真，根据仿真结果，确定芯片的装配方式，并选择适宜的基板材料，实现小型化数字处理器的装配工艺设计。

1 数字处理器封装工艺流程设计

根据数字处理器设计方案，以多层电路为布线基板，承担芯片物理载体和信号传输的功能。所有控制和信号在基板层内完成，芯片等元器件器件通过表贴、倒装和贴装集成在基板上。基于设计图纸，装配工艺流程设计如下：SMT 贴装→回流焊→芯片安装（粘接后引线键合 / 倒装贴片）→等离子清洗→丝焊→封盖→植球→回流焊→表面打标→测试→包装。该工艺流程中，芯片与基板间的装配，有倒装和贴装两种方案可选，其他工序由于无备选工艺方案，工艺流程可以确定下来。因此，该数字处理器工艺流程设计关键在于选择合适的芯片装配工艺方式。

目前，芯片有两种装配方式，倒装和贴装。两种工艺比较，倒装焊的芯片价格昂贵，采购困难，不适合小批量生产模式，该工艺的使用范围较窄。但是，倒装焊工艺相比贴装后焊线连接，在性能、布线和散热上具备如下优势：

（1）倒装焊技术无引线键合焊盘中心距极限的问题；

（2）在芯片的电源 / 地线分布设计上可以给电子设计师提供更多的便利；

（3）通过缩短互联长度，减小 RC 延迟，为高频率、大功率器件提供更完善的信号；

（4）封装面积小；

（5）热性能优良，芯片背面可安装散热器。

鉴于倒装在性能和散热两方面的优势，而 ASIC 芯片功耗为 40 W，有较高的散热性要求，倒装芯片焊接可利用芯片背面与散热板接触散热，ASIC 产生的热可在短时间内通过散热板导出封装外，可降低芯片节温，确保芯片长期稳定工作。另一方面，ASIC 与 ADC 信号传输接口有几百个，采用倒装芯片可以减小封装尺寸，缩短传输路径，减少信号延迟时间，提高芯片性能。因此，考虑性能和散热因素，ASIC 芯片最佳方案是采用倒装贴片的装配方式。

对于 ADC 芯片，功耗约 1 W，对散热需求不明显。性能方面，通过 HESS 仿真，分别计算 ADC 倒装和贴装两种装配方式，对高速信号的完整性影响大小。是贴装后焊接不同跨距互连金丝对性能的影响。通过插损和回损大小，判定芯片合适的装配方式。

ADC 芯片倒装焊接

ADC 芯片基板金丝互连

ADC 芯片与基板不同跨距金丝互连

仿真结果在 0～2 GHz 频段内，倒装贴片插损小，可以忽略不计，ADC 倒装焊电性能达到最佳。芯片贴装后，金丝键合的插损随着引线跨距增加而增大，当跨距达到 1.4 mm 时，插损为 -0.2 dB。在 0～2 GHz 频段内，倒装贴片回损小于 -50 dB，贴装芯片随着金丝互连跨距加大，回损增加，1.4 mm 金丝互连在 2 GHz 回损约为 -15 dB。该器件插损要求大于 -0.2 dB，回损小于 -15 dB。因此，小于 1.4 mm 跨距金丝键合，丝焊仍满足性能要求。在 2 GHz 频段内，ADC 芯片倒装贴片和引线键合均可满足要求，鉴于 ADC 芯片散热要求低，金丝互连对性能影响小，采用贴装工艺，可节约成本，提高产品可装配性，因此该芯片采用贴装后金丝互连的方式装配。

插损

回损

2 基板材料选择

基板是数字处理器的重要组成部分，在封装中实现搭载器件和电气连通的作用。由于该器件需要在母板上再次集成，基板在满足器件本身功能的前提下，还需与系统母板安装相匹配。本次基板的选择需满足芯片倒装工艺，又要兼顾 BGA 封装后与母板二次焊接。常用封装基板有有机系（树脂系）、无机系（陶瓷系、金属系）和复合机系三种，前两种材料在性能上各有优缺点，而复合机系综合了两者的优点，已经成为基板的发展方向，但是目前没有大规模应用。本次选用有机、无机基板作为封装材料为封装基板研究对象。

2.1 BT 封装

封装基板有机系材料，也统称的 BT 树脂。

BT 封装的优点：

（1）与 PCB 的热匹配性好，两种材料的 CTE 比较接近，因而热匹配性好；

（2）在回流焊过程中可利用焊球的自对准作用，即熔融焊球的表面张力来达到焊球与焊盘的对准；

（3）成本低；

（4）电性能良好。

BT 材料封装的缺点：对湿气敏感，不适用于有气密性要求和可靠性要求高的器件封装。

2.2 陶瓷封装

无机基板以陶瓷 LTCC 使用较广，多用于具有气密性高要求的封装中。

陶瓷封装的优点：

（1）气密性好，抗湿气性能高，因而封装组件的长期可靠性高；

（2）与 BT 封装器件相比，电绝缘特性更好；

（3）与 BT 封装器件相比，封装密度更高。

陶瓷封装的缺点：

（1）由于陶瓷基板和 PCB 的热膨胀系数（CTE）相差较大（陶瓷基板约为 7×10 -6 /℃，PCB 约为 17×10 -6 /℃），因此热匹配性差，焊点疲劳失效；

（2）与 BT 封装器件相比，封装成本高；

（3）在封装体边缘的焊球对准难度增加。

2.3 BT 和 LTCC 基板对芯片工作温度影响

数字处理器 40 W 以上的功耗，仅通过基板焊带不能将大量的热及时传导出去，大功耗器件 ASIC 芯片需金属外盖接触，外盖表面贴着热沉，结构设计如图 8 所示，热沉上表面由 25 ℃的水冷系统进行冷却，对流换热系数为 578 W/（m 2 ·K）。金属盖板用密封焊料焊接在基板上，用以保护芯片、引线及焊盘。ASIC 芯片倒装后，芯片底面通过散热胶直接与金属盖接触，可以将大部分的热通过传导的 方式带出。其他表面为自然对流冷却，对流换热系数为 10 W/（m 2 ·K），环境温度为 85 ℃，ASIC 芯片的功率为 40 W，AD 芯片的功率为 1 W，闪存芯片的功率为 0.5 W。通过 ANSYS 软件仿真，计算使用两种不同基板时，对应芯片的工作温度。图 9 是 BT 基板和 LTCC 基板封装仿真热分布，ASIC 芯片（芯片 1）的温度范围为 105～118 ℃，ADC 芯片（芯片 2）的温度范围为 102～112 ℃ ，闪存芯片的温度范围为 100～105 ℃，芯片的最高温度位于 BT 封装的 ASIC1 底部中心位置，温度约为 118 ℃，其次为 LTCC 封装的 ASIC1 底部中心位置，温度约为 115 ℃。对比 BT 和 LTCC 基板封装，对芯片温度分布影响较小。

数字处理器热传导示意图

对比 LTCC 和 BT 封装，芯片工作温度的变化较小。其主要原因是 ASIC 大功率芯片上表面紧贴热沉，其产生的绝大部分热量往上耗散，形成了热耗散通路，大功耗芯片的热少量向基板方向传导。其它芯片如 ADC、存储芯片散热小，仅少量热会传给基板，本次基板散热性能的优劣对芯片散热的影响较小。因此，该数字处理器 SiP 封装基板材料两种均可选用，鉴于 BT 在 BGA 焊接方面的优势，在与母板焊接时，BT 基板的热膨胀系数更匹配，本次选用 BT 材料作为封装基板。

3 结论

本文以现有混合集成技术为基础，主要研究在系统小型化过程中，关键芯片的封装工艺，并采用电磁仿真软件模拟倒装和贴装两种装配方式对性能的影响。且通过有限元仿真软件，分析芯片的散热需求，并探讨 BT 和 LTCC 作为基板材料对该结构数字处理器散热的影响。为后期小型化工艺设计指明了研究方向，是一次有效的 SIP 封装的工艺探索。目前，在国内 SiP 技术尚属于初级阶段，随着 SiP 技术逐步成熟，必将成为电子技术新热点和技术应 用的主要方向之一。而 SiP 封装工艺作为 SiP 封装技术的重要组成部分，值得花费力量从事相关技术研究。
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