Lidless Flip Chip Ball-Grid Array 的 热管理和机械处理

AN-659-1.0

应用笔记

该应用笔记对Altera^® 器件的lidless flip chip ball- grid array (FCBGA) 的热管理 和机械处理提供指南。

该应用笔记包含以下部分：

• “Lidless FCBGA 概述”

• “ 导热界面材料的一般属性”

• 第4 页的“ 连接散热片”

• 第11 页的“ 器件返工”

• 第12 页的“Lidless FCBGA 的处理和传输”

• 第13 页的“ 供应商列表”

Lidless FCBGA 概述

Lidless FCBGA 封装通过支持被动组件和倒装芯片之间的较近距离实现最大化PCB 基板 面。Lidless FCBGA 封装使芯片能够与外部散热片相连接，并确保在倒装芯片和所连接 的散热片之间实现最细band 线和最佳热阻抗。

Altera 采用裸露的芯片配置生产lidless FCBGA 封装。该配置保持lidless FCBGA 的 裸芯片的最佳热性能并在裸芯片周围提供一个支承表面以实现与散热片的直接连接。

图1 显示了lidless FCBGA 的横断面。

• 图1. Lidless FCBGA 的横断面

Underfill

Die Laminate Substrate

Solder Ball

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导热界面材料的一般属性

第2 页

lidless FCBGA 的共面性规范限制小于或等于35 mm x 35 mm：8 mils (0.20 mm)。 表1 列出了Arria II GX EP2AGX260 器件的F1152 封装中产品中测量的共面性数据的 实例。

表1. 共面性数据

Yield	Min (mil)	Max (mil)	Average (mil)	Std Dev	Std Dev + 3 S	Cpk
100%	4.74	6.71	5.73	0.40	6.93	1.89

导热界面材料的一般属性

Altera 建议进行设计时要提前考虑合适的导热界面材料(TIM) 类型。TIM 可能成为热 管理设计成本的限制因素。有效使用TIM 可以帮助减少散热片的容量和使用更大冷却 风扇的需要。采用有效TIM 会比更改散热片或重新设计底架具有更多的优势，会产生 更快、更易使用和更低成本的效果。

表2 列出了TIM 的类型以及它们的优势和缺点。

表2. TIM 类型的优点和缺点 (1/2)

TIM 类型	说明	优点	缺点
导热粘合剂 或环氧树脂	■导热粘合剂是基于硅氧烷的 制剂，其含有填料。导热粘 合剂提供更优越的机械组 合。 ■环氧树脂是含颗粒的单组分 或双组分材料，您可以通过 点胶或模板印刷对其应用。	■提供结构支持，省去机械夹 紧。 ■固化以支持聚合物的交联， 可以提供粘附特性。	■由于小的接触面，不可以提 供足够的粘结强度。 ■相对高阻抗会很大地影响热 性能。 ■设备返工会非常困难并且可 能导致损坏设备。
散热带	填充了压敏粘合剂(PSA)， 它 被涂在一个支持基质上，聚酰 亚胺薄膜，玻璃纤维毡，或铝 箔。	■具有中档热性能，便于与散 热器连接。 ■不需要机械夹紧。 ■在平面上效果会更好。	■塑料的IC 通常在中心为凹面 的，散热器表面会呈现不 同。这个不均匀会导致表面 的空气间隙。 ■没有机械附件的帮助下不会 提供足够的粘结强度，从而 导致散热片脱落。 ■设备返工会非常困难并且可 能导致损坏设备。 ■由于垂直安装的PCB 的散热 片的热量和重量，散热片可 能随时间脱落。
导热硅脂	包含装有导热填料的硅油。	■低热阻抗。 ■不需要固化。 ■流动的并沿表面变化。 ■提供一个可返工的热界面 层。	■需要机械夹紧。 ■由于高粘度，所以不清洁并 且难以应用。 ■会随时间以及在扩展操作期 间降解、泵出或变干，会导 致TIM 的热性能很大程度受 损。
热凝胶	轻度交联的低模量，胶状材 料。	■低热阻抗。 ■随表面变化，并且显示减少 的材料泵出。	需要机械夹紧。

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导热界面材料的一般属性

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表2. TIM 类型的优点和缺点 (2/2)

TIM 类型	说明	优点	缺点
导热垫	■通过模制装有导热填料的非 加强的硅而制造 ■导热垫的加强材料，包括机 织玻璃、金属箔和聚合物膜	■预切。 ■提供间隙填充功能性。	■需要机械夹紧。 ■有限的热性能。 ■对压力敏感。
相变材料 (PCM)	通过热量和压力的应用经历了 从固体到半固体相的转变。芯 片工作的条件下，该材料为液 体相。	■低热阻抗。 ■能够随表面而变化。 ■不需要固化。	■需要机械夹紧。 ■返工很困难。

所建议的TIM

表3 列出了Altera TIM 供应商所建议的TIM。间隙填充性能、材料的电导率、与模塑 料的兼容性和易用性等因素决定典型的应用建议。

表3. 对Lidless FCBGA 封装所建议的TIM

供应商	产品	类型	导电性	格式	典型应用
Laird Technologies	Tpcm 780	相变	5.5 W/m°K	垫	Desktop 和laptop PCs
Laird Technologies	Tpcm 780SP	相变	5.5 W/m°K	液态	Desktop 和laptop PCs
Laird Technologies	Tpcm 580	相变	3.8 W/m°K	垫	CPUs、定制ASIC 和GPUs
Laird Technologies	Tgrease 980	热油脂	3.8 W/m°K	油脂	CPUs、定制ASIC 和GPUs
Laird Technologies	Tgrease 880	热油脂	3.1 W/m°K	油脂	CPUs、定制ASIC 和GPUs
Laird Technologies	Tgrease 2500	热油脂	3.8 W/m°K	糊状	高性能 CPUs 和GPUs
Bergquist	3500S35	空隙填充器(2 个部分)	3.6 W/m°K	垫	对PCBA 加外壳
Chomerics	T777	相变	3.5 W/m°K	垫	CPUs、GPUs 和芯片组
Chomerics	976	空隙填充器	3.0 W/m°K	垫	CPUs、GPUs 和芯片组
Chomerics	579	空隙填充器	1.5 W/m°K	垫	CPUs、GPUs 和芯片组
Chomerics	T411	导热胶带	0.5 W/m°K	胶带	CPUs、GPUs 和芯片组
Laird Technologies	T Flex HR600	空隙填充器	3.0 W/m°K	垫	冷却底架、框架
Laird Technologies	T Flex HR400	空隙填充器	1.8 W/m°K	垫	冷却底架、框架

1 要防止芯片破口或开裂，当将TIM 应用到散热片和封装时，请确保有足够的 TIM 覆盖芯片的边缘。

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连接散热片

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连接散热片

您可以通过几个方法将散热片连接到热源。为了有效的散热，您必须考虑每个散热片 连接方法的优点和缺点。

当将散热片通过小的接触面连接到热源时，例如lidless FCBGA 封装，必须考虑以下 因素：

• 散热器倾翻或倾斜的可能性

• 散热器安装期间破坏裸芯片的可能性

• 连接面可能太小以至不能够通过粘合剂或胶带形成牢固的粘结。

散热片连接方法

您可以使用两种类型的散热片连接; 机械连接和非机械连接。

表4 列出了散热片连接的类型，典型的连接方法，连接方法的优点和缺点以及它们对 lidless 封装的适用性。

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连接散热片

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	Lidless 封装的适用性	■由于小的连接面不能提供足够的粘 合强度。 ■可能会导致散热片 倾斜或倾翻。 要了解更多信息，请参考第9 页的 “ 对小的热源和Lidless 封装克 服散热片倾翻或倾斜”。	■由于小的连接面不能提供足够的粘 合强度。	■不适合于PCB 或散热片垂直于地面 的应用，尤其对于lidless 封装。 ■可能会导致散热片倾翻或倾斜。要 了解更多信息，请参考第9 页的 “ 对小的热源和Lidless 封装克 服散热片倾翻或倾斜”。
	缺点或风险	■更难控制应用过程。 ■返工非常困难。 ■可能会损坏芯片。 ■要了解关于风险的更多信 息，请参考第8 页的“ 非机械散热片连接风险和 缺点”.	■散热带的相对的高阻抗很 大地影响了热性能。	■要了解关于风险的更多信 息，请参考第8 页的“ 非机械散热片连接风险和 缺点”。
	优点	上不需要额外的空		上不需要额外的空
		在PCB 间		在PCB 间
1/3)	连接类型	非机械		非机械
. 每个连接方法的优点和缺点 (	连接方法	树脂或导热粘合剂 Epoxy or Thermally Conductive Adhesive	带
表4		环氧	散热

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连接散热片

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	Lidless 封装的适用性	可能导致散热片倾翻或倾斜。要了解 更多信息，请参考第9 页的“ 对小 的热源和Lidless 封装克服散热片倾 翻或倾斜”。	可能导致散热片倾翻或倾斜。要了解 更多信息，请参考第9 页的“ 对小 的热源和Lidless 封装克服散热片倾 翻或倾斜”。
	缺点或风险	上对于安装锚的布置 外的空间；然而，Z 其它的机械连接类型 推钉和带肩螺钉)需要 间。	上对于安装锚的位置 外的空间；然而， 型夹比其它的机械连 (例如推钉和带肩螺 要更少空间。
		在PCB 需要额 型夹比 (例如 更少空	在PCB 需要额 Talon 接类型 钉)需
	优点	提供稳定的连接并 载传输到安装锚或	提供稳定连接并且 传输到安装锚或
		对热源 且将负 PCB。	对热源 将负载 PCB。
	连接类型	连接	连接
/3)		机械	机械
法的优点和缺点 (2	接方法
连接方	连
每个			型夹
表4.		Z 型夹	Talon

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连接散热片

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封装的适用性Lidless
可能会导致散热片倾翻或倾斜。要了 解更多信息，请参考第9 页的“ 对 小的热源和Lidless 封装克服散热片 倾翻或倾斜”。 可能会导致散热片倾翻或倾斜。要了 解更多信息，请参考第9 页的“ 对 小的热源和Lidless 封装克服散热片 倾翻或倾斜”。
缺点或风险
在PCB 上对于推针的布置需 要额外的空间。 在PCB 上对于带肩螺钉的布 置需要额外空间。
优点
对散热片提供稳定连接■ 并且将负载传输到PCB。 可以严格控制芯片和焊■ 球上的安装力和负载。 对散热片提供稳定连接■ 并且将负载传输到PCB、 背板或底架。 适合于高质量散热片。■ 可以严格控制芯片和焊■ 球上的安装力和负载。
连接类型
机械连接 机械连接
(3/3)
连接方法
推针 带肩螺钉
每个连接方法的优点和缺点表4.

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非机械散热片连接风险和缺点

图2 和图3 显示了在非机械散热片连接中，由于不均匀的散热片安置导致的芯片损坏 和不佳的热性能的风险。

图2. 芯片损坏

Damage
Die Molding
Laminate Substrate
PCB
Heat sink

图3. 不均匀的TIM 界面厚度

Uneven TIM
Molding Die Molding
Laminate Substrate
PCB
Heat sink

通过机械散热片连接，散热片所有侧的力度都是均匀的，从而导致均匀的TIM 的界面 厚度以及散热片的均匀散热。图4 显示了机械连接的散热片的均匀的压缩力。

图4. 机械连接的散热片

Even force Even force
TIM Heat sink
Die
Laminate Substrate
PCB
Push pins

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设计Lidless FCBGA 封装的散热片连接

当设计lidless 封装的散热片连接时，必须考虑基板上芯片的高度以及去耦电容的高 度( 在一些器件中)。

图5 显示了带有 ( 可选电容的 )lidless FCBGA 封装的横截面视图。

• 图5. Lidless FCBGA 封装的横截面视图

Underfill
Die
Capacitator Capacitator
Laminate Substrate
Solder Ball

• f 要了解关于封装的更多信息，请参考 Altera Device Package Information Data Sheet。

对小的热源和Lidless 封装克服散热片倾翻或倾斜

当您将散热片连接到小的热源或lidless 封装时，散热片可能会倾翻或倾斜；因此损 坏芯片。您可以将海绵垫( 小的可压缩泡沫垫) 应用到散热片以防止散热片倾翻或倾 斜。海绵垫有助于在连接期间稳固散热片。对于lidless 封装的散热片连接，您必须 考虑使用可压缩的泡沫垫以防止芯片破口。

图6 显示了一种类型的海绵垫。

图6. 海绵垫

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导热环氧树脂方法要求在芯片中心具有点胶，并且在芯片的对称的角落或边沿具有单 独的点上或串连的点上点胶，分别对应下图的图7 中显示的两种模式。

图7. 导热环氧树脂的点胶模式

Dot Posts Bead Posts
Die Surface
Substrate Surface

这些方法有助于稳固lidless 封装的散热片连接。常用的导热环氧树脂是作为表面活 性剂的Loctite 3873-EN 和Loctite 7387-EN。

图8. 在四个角使用PCM 和海绵垫的散热片连接以实现稳固

Sponge Pad TIM Heat sink Sponge Pad
Die
Laminate Substrate
PCB

对小的热源选择散热片

冷却一个较小的热源很困难，因为散热片的基础材料抵制热量的传播 ( 从基底到外翅 片 )。

• 1 目前，带有小热源的Altera 器件是lidless FCBGA 和flip chip molded ball-grid array (FCMBGA)。

  • 图9 显示了一个铝散热片和一个小热源。

  • 图9. 铝散热片

Aluminum Heat Sink
Small Heat Source

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