電子機器開発者のための半導体パッケージ熱設計入門　――待ったなし！SOC & SIPの熱対策

● パッケージの熱抵抗を決める五つの要因

　チップ表面から環境雰囲気までの熱抵抗値θjaを決めているおもな要因は次のとおりです．

1） パッケージ構造

　ASIC用のパッケージにはQFP，PBGA（plastic BGA，図4），FBGA（fine pitch BGA，図5），TBGA（tape BGA，図6），ABGA（advanced BGA，図7），FCBGA（flip-chip BGA，図8）などがあります．それぞれのパッケージの熱抵抗θjaとθjcを図9に示します．パッケージの上面プレートが銅板製で，チップが直接伝熱ペーストで接着されたABGAやFCBGAなどは上面への熱伝導が良好で，接合部とパッケージ表面の間の熱抵抗θjcも，接合部から雰囲気温度までの熱抵抗θjaも良好な値になっています．また，PBGAでは2層配線基板よりも4層配線基板のほうが熱抵抗が低く，サーマル・ビアの直下にはんだボールを配置することによって，さらに熱抵抗を下げることができます．

（a）チップ表面

（b）チップ裏面

（c）チップ断面図

図4　PBGA
PBGAは，両面または4層のプリント基板上に半導体チップを搭載してワイヤ・ボンディングし，樹脂によって封止した後，チップ搭載面の反対側にはんだボールを配置したパッケージ（キャビティ・アップ）．熱抵抗を下げるため，チップの直下にはんだボールを配置してスルー・ホールで熱の通り道を設けている．また，パッケージ基板には4層基板やメタルコア基板を用いて，熱抵抗を下げている．

（a）チップ外観

（b）チップ断面図

図5　FBGA
FBGAは，はんだボール・ピッチが1mm未満のPBGAを指す．数量ベースでもっとも多く使われているパッケージ．

（a）チップ表面

（b）チップ裏面

（c）チップ断面図

図6　TBGA
TAB（tape automated bonding）技術で半導体チップをボンディングしたテープ基板のBGA．ボール・ピッチは1mm～1.27mm，ボール数は256～868個．

（a）チップ表面

（b）チップ裏面

（c）チップ断面図

図7　ABGA
ABGAは，多層基板に銅板のヒート・スプレッダが貼り付けられ，チップが中央のキャビティに搭載されたパッケージ（キャビティ・ダウン）．半導体メーカごとに名まえが異なっており，SBGA（Super BGA），EBGA（Enhanced BGA）とも呼ばれている．ボール・ピッチは1mm～1.27mm，ボール数は256～1,008個．熱流は熱伝導率の高い銅板を通ってパッケージ表面に出るが，雰囲気へ放熱（熱伝達）されるのはその一部で，残りはプリント基板側へ熱伝導される．

（a）チップ外観

（b）チップ断面図

図8　FCBGA
高密度配線のビルドアップ基板にチップを下向けにはんだボール接続したBGA．ボール数は624～2,803個．

図9　パッケージ構造による熱抵抗の違い
パッケージの上面プレートが銅板製で，チップが直接伝熱ペーストで接着されたABGAやFCBGAなどは上面への熱伝導が良好である．