CN100401506C - 球单阵列封装芯片的散热装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种球单阵列封装芯片的散热装置，用于为位于印刷电路板上的球单阵列封装芯片散热，包括：至少一个位于所述印刷电路板表层的电气属性为电源或者电气属性为地的金属散热体，所述一个或一个以上金属散热体覆盖至少一个所述球单阵列封装芯片的电源管脚或者覆盖至少一个所述球单阵列封装芯片的地管脚。还公开一种球单阵列封装芯片与印刷电路板的组合装置，包括：球单阵列封装芯片，其位于印刷电路板表层，且具有至少一组拥有相同电气属性的管脚；所述该组合装置包括至少一个金属散热体，该金属散热体一部分暴露于所述印刷电路板表层；另一部分伸入球单阵列封装芯片和印刷电路板之间并覆盖至少一组拥有相同电气属性的管脚。
Description
技术领域
本发明涉及大功率芯片的散热技术，尤其涉及BGA(Ball Grid ArrayPackage，球单阵列封装)芯片的散热装置及球单阵列封装芯片与印刷电路板的组合。
背景技术
芯片集成度不断提高，I/O(Input/Output，输入/输出)引脚数急剧增加，功耗也随之增大，对集成电路封装的要求也更加严格。越来越多的芯片采用BGA(Ball Grid Array Package，球单阵列封装)结构，以实现复杂的功能。采用BGA封装形式设计的芯片，拥有数量巨大的管脚，可以完成复杂的功能。芯片为了实现这些复杂的功能，工作时需要消耗更多的电流，因此内部会产生大量热量。为了保证芯片正常工作，芯片需要及时散热，否则，芯片温度将会升高，导致芯片工作异常。更甚者，如果芯片长时间处于较高温度的环境中，将导致芯片物理性损坏，如芯片内部硅片老化或自燃等。
现有技术中采用以下方式对BGA芯片进行散热：
1、增加BGA芯片的物理尺寸，增加BGA芯片的有效散热面积达到散热的目的；
2、在电子设备中增加风扇数量，改善BGA芯片周边的空气对流条件的方法对BGA芯片散热；
3、为BGA芯片附加散热器，使BGA芯片的有效散热面积增加的方法对BGA芯片散热；
另外，还可以通过PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)板内部的地层散热。具体的实现过程是将BGA芯片的地管脚通过过孔连接到PCB板内部的地层，使BGA芯片内部的热量传导到PCB板上，通过PCB板散热。
但是以上几种对BGA散热的技术均存在缺陷：
首先，增加芯片的物理尺寸，将导致芯片制造成本迅速提高；而增加风扇数目，或给BGA芯片附加散热器，将增加电子设备整机的成本；而通过PCB板内部的地层给BGA芯片散热的方法，由于地层位于PCB板的内部，没有很好的空气对流条件，因此散热效果受限，如果将PCB板内部的地层上的热量传导到PCB板的表层，则需要通过过孔把地层和表层连接起来。但是过孔数目的大量增加，会影响整个PCB板的信号设计，尤其可能加大PCB板的面，导致PCB板成本的增加。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于：提供一种BGA芯片的散热装置及其应用，能够对BGA芯片达到较好的散热效果，且成本低廉。
为解决上述技术问题，本发明提供一种球单阵列封装芯片的散热装置，用于为位于印刷电路板上的球单阵列封装芯片散热，包括：
至少一个位于所述印刷电路板表层的电气属性为电源或者电气属性为地的金属散热体，所述一个或一个以上金属散热体覆盖至少一个所述球单阵列封装芯片的电源管脚或者覆盖至少一个所述球单阵列封装芯片的地管脚。
其中，所述电气属性为地的金属散热体与印刷电路板的地层连接。
其中，所述电气属性为电源的金属散热体与印刷电路板的电源层连接。
其中，所述散热体为铜片或铝片。
本发明公开一种球单阵列封装芯片与印刷电路板的组合装置，包括：
球单阵列封装芯片，其位于印刷电路板表层，且具有至少一组拥有相同电气属性的管脚；
所述该组合装置包括至少一个金属散热体，该金属散热体一部分暴露于所述印刷电路板表层；另一部分伸入球单阵列封装芯片和印刷电路板之间并覆盖至少一组拥有相同电气属性的管脚。
其中，所述金属散热体是采用铜材质制成的，且为片状。
其中，包括两个金属散热体和两组电气属性分别为电源和地的管脚，两个金属散热体用以分别覆盖这两组管脚。
其中，所述印刷电路板为多层印刷电路板，所述金属散热体经由印刷电路板的过孔与其他具有相同电气属性的层相连，以加速印刷电路板内部向外散热。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在PCB板上增加了大片的散热体，BGA芯片工作时产生的热量，可以通过BGA芯片的电源管脚或地管脚传导到PCB板表面的大块散热体上。由于散热体拥有最优良的散热性能，因此能够达到较好的散热效果。同时本发明的散热方式不需要增加PCB板的面积，也不需要增加额外的贵重器件，对整机设计成本没有影响，因此成本低廉。本发明使用的PCB表层的散热体不需要和PCB板内部的电源层或地层通过过孔连接。减少了PCB板设计的困难，可以灵活应用。
另外，本发明同样可以同时使用电源管脚和地管脚进行散热，以达到更好的散热效果。
本发明还可以通过过孔把所述散热体和PCB板内部的电源层和地层分别连接，将有利于PCB板的整板散热。
附图说明
图1是第一实施例中球单阵列封装芯片的散热装置的示意图；
图2是第二实施例中球单阵列封装芯片的散热装置的结构示意图；
具体实施方式
采用BGA封装形式设计的芯片，拥有数量巨大的管脚，可以完成复杂的功能。芯片为了实现这些复杂的功能，工作时需要消耗更多的电流，因此内部会产生大量热量。为了保证芯片正常工作，这些热量需要被及时散发掉。
本发明针对BGA封装芯片在工作时需要及时散热的特点，提供了一种利用BGA芯片的电源管脚和/或地管脚进行散热的方法，可以使BGA芯片工作时产生的热量通过芯片本身的电源管脚和/或地管脚高效散发，保证了BGA芯片的稳定工作。本发明尤其适用于高密度、复杂功能的BGA芯片，且稳定可靠，适用于所有BGA封装的芯片。
BGA芯片拥有大量的管脚，这些管脚按照多排环形的方式，排列在BGA芯片的下面。BGA芯片通过这些管脚被焊接到PCB板上。所有管脚，都通过金属丝和BGA芯片内部的晶体连接在一起。因此BGA芯片工作时内部产生的热量，可以通过金属丝传导到BGA芯片的管脚上。
本发明对现有的BGA封装芯片的管脚以及原有的PCB进行了改进，以达到有效散热的目的。
本发明提供的一种球单阵列封装芯片的散热装置，用于为位于印刷电路板上的球单阵列封装芯片散热，包括：位于所述印刷电路板表层的电气属性为电源或者电气属性为地的大面积金属散热体，所述金属散热体至少覆盖一个相同电气属性的与所述球单阵列封装芯片的管脚。其目的是通过电源管脚或地管脚周围的小块金属片将BGA芯片内部传导至BGA芯片的电源管脚或者地管脚的热量通过PCB表层的大面积金属散热体散发掉。
进一步，为了达到更好的散热效果，还可以同时通过BGA芯片的电源管脚和地管脚把BGA芯片内部传导过来的热量散发掉。在BGA芯片中包括一个或多个电源管脚，为了充分散热，可以将每个电源管脚均用所述大面积金属散热体覆盖。同时，本发明将每个电源管脚或者每个地管脚之间用小金属片连通，取代了现有技术中用粗铜线将其连通的方法，提高散热效率。
利用本发明，不需要通过PCB板内部的电源层或地层连接，就能够达到较好的散热能力。如果通过过孔把电气属性为电源的散热体和PCB板内部的电源层连接起来，或通过过孔把电气属性为地的散热体和PCB板内部的地层连接起来，会大幅度提高整个PCB板的散热能力。但需要适当控制过孔数目，已避免对PCB板的设计的影响，以及PCB板面积的影响。当然，为了达到更好的散热效果，可以将电气属性为电源的散热体与电气属性为地的散热体分别与PCB板内部的电源层和地层连接。
本发明所述散热体可以选用散热性能良好的金属散热体，例如铜片、铝片。
与之相适应，本发明还提供了将上述散热装置应用于球单阵列封装芯片与印刷电路板的组合时的方案，所述球单阵列封装芯片与印刷电路板的组合装置，包括：球单阵列封装芯片，其位于印刷电路板表层，且具有若干组拥有相同电气属性的管脚；所述该组合装置包括至少一个金属散热体，该金属散热体一部分暴露于所述印刷电路板表层；另一部分伸入球单阵列封装芯片和印刷电路板之间并覆盖至少一个拥有相同电气属性的管脚。所述金属散热体是采用铜材质制成的，且为片状。所述组合装置包括两个或者两个以上金属散热体，所述若干组电气属性相同管脚为电源管脚和地管脚，两个或两个以上金属散热体用以分别覆盖这些组管脚。
所述印刷电路板为多层印刷电路板，所述金属散热体经由印刷电路板的过孔与其他具有相同电气属性的层相连，以加速印刷电路板内部向外散热。
以下以金属散热体为铜片为例阐述本发明所述的具体的实现过程，其他性能良好的金属散热体设计方法相同。
本发明首先把BGA芯片下面相邻的电源管脚和/或地管脚，在PCB板的表层分别通过小块铜皮连接起来。将小块铜皮替代原来的粗铜线的原因是小块铜皮更容易散热。然后把这些电气属性是电源或地的小块铜皮扩展到BGA芯片在PCB板上封装的外部，再分别连接到电气属性是电源或地的大块铜皮上。所有的大块铜皮都位于PCB板的表层，即是上表面，拥有非常优良的空气对流散热条件。BGA芯片工作时内部产生的热量，通过芯片内部的金属丝传导到芯片的电源或地管脚上，再进一步通过电源或地管脚周边的小块铜皮传导到PCB表面的大块铜皮上，被及时的散发。PCB表面的大块铜皮，相当于给芯片增加了额外的高效率散热面积，同时和BGA芯片直接相连，因此大大改善了散热效果。
如果通过过孔把电气属性为电源的大块铜皮和PCB板内部的电源层连接起来，或通过过孔把电气属性为地的大块铜皮和PCB板内部的地层连接起来，会大幅度提高整个PCB板的散热能力。
以下是本发明的一个具体实施例：
第一实施例：图1中给出了一个BGA芯片的部分芯片管脚排列图。这个BGA芯片11有四排管脚。其中管脚1、2、3是属性为电源的电源管脚；管脚4、5、6是属性为地的地管脚；其它黑色的管脚都是BGA芯片的信号管脚。由于连接信号管脚的铜线过多的其他处理会产生噪音从而影响信号传输质量，因此传输信号的信号管脚不能用于散热，而电源管脚和地管脚仅具有特定的电气属性，因此可以在其周围添加散热体将芯片内部的热量散发出去。在PCB板7上，所述信号管脚通过虚线向外提供电信号。BGA芯片11在PCB板7上有确定的封装尺寸，所有管脚都在这个封装尺寸之内。
图1中，属性为电源的管脚1、2、3通过一块小铜皮12在PCB板上连接到一起，接着向外延伸，连接到一块电气属性为电源的大铜皮10上。同样，电气属性为地的管脚4、5、6也通过一块小铜皮13在PCB板7连接在一起，接着向外延伸，连接到一块电气属性为地的大块铜皮8上。这些电源或地电气属性的大块铜皮，即图中8或10，都位于PCB板7的上表面，拥有很好的空气对流散热能力。来自BGA芯片11内部的热量，分别经过电源管脚和地管脚，传导这些大块铜皮上，即被散发到空气中。电气属性为电源或地的大块铜皮的面积，需要根据PCB板设计的实际情况考虑，原则是越大越好。
本实施例阐述了通过电源管脚和地管脚进行散热的方法，当然也可以仅将电源管脚或地管脚的小铜片与PCB表层的大块铜片连接，达到散热的目的，连接方法与上文所述相同，不再赘述。
所述PCB表面的大块铜皮，不需要和PCB板内部的电源层或地层连接，就可以有很好的散热能力。如果通过过孔把电气属性为电源的大块铜皮和PCB板内部的电源层连接起来，或通过过孔把电气属性为地的大块铜皮和PCB板内部的地层连接起来，会大幅度提高整个PCB板的散热能力。在以下实施例中阐述将所述大块铜皮与PCB内部的电源层连接起来的方法。
第二实施例：以图2所示为例。该BGA芯片11有四排管脚。其中管脚1、2、3是属性为电源的电源管脚；管脚4、5、6是属性为地的地管脚；其它黑色的管脚都是BGA芯片的信号管脚；图中标记15为过孔。在PCB板7上，所述信号管脚通过虚线向外提供电信号。BGA芯片11在PCB板7上有确定的封装尺寸，所有管脚都在这个封装尺寸之内。本实施例阐述将所述PCB表层的大面积铜片通过过孔与PCB的电源层连接散热的过程。而由于将PCB表层电气属性为地的大面积铜片通过过孔与地层连接的过程可以相应导出，不再赘述。
图1中，属性为电源的管脚1、2、3通过一块小铜皮12在PCB板上连接到一起，接着向外延伸，连接到一块电气属性为电源的大铜皮10上。这些电源电气属性的大块铜皮，即图中8，可选择在保证PCB板其他设计不会受到重大影响的前提下，通过适当数量的过孔15与PCB的电源层连接，都位于PCB板7的上表面，拥有很好的空气对流散热能力。来自BGA芯片11内部的热量，分别经过电源管脚，传导这些大块铜皮上，即被散发到空气中。电气属性为电源或地的大块铜皮的面积，需要根据PCB板设计的实际情况考虑，原则是越大越好。
但是随着过孔数目的增加，可能会影响PCB板的设计，导致PCB板面积增加。
本发明对于BGA芯片管脚能拉成铜皮的情况均可适用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种球单阵列封装芯片的散热装置，用于为位于印刷电路板上的球单阵列封装芯片散热，其特征在于，包括：
至少一个位于所述印刷电路板表层的电气属性为电源或者电气属性为地的金属散热体，所述一个或一个以上金属散热体覆盖至少一个所述球单阵列封装芯片的电源管脚或者覆盖至少一个所述球单阵列封装芯片的地管脚。
2.根据权利要求1所述的球单阵列封装芯片的散热装置，其特征在于：所述电气属性为地的金属散热体与印刷电路板的地层连接。
3.根据权利要求1或2所述的球单阵列封装芯片的散热装置，其特征在于：所述电气属性为电源的金属散热体与印刷电路板的电源层连接。
4.根据权利要求1或2所述的球单阵列封装芯片的散热装置，其特征在于：所述散热体为铜片或铝片。
5.一种球单阵列封装芯片与印刷电路板的组合装置，包括：
球单阵列封装芯片，其位于印刷电路板表层，且具有至少一组拥有相同电气属性的管脚；
其特征在于：
所述该组合装置包括至少一个金属散热体，该金属散热体一部分暴露于所述印刷电路板表层；另一部分伸入球单阵列封装芯片和印刷电路板之间并覆盖至少一组拥有相同电气属性的管脚。
6.根据权利要求5所述的球单阵列封装芯片与印刷电路板的组合装置，其特征在于：
所述金属散热体是采用铜材质制成的，且为片状。
7.根据权利要求5所述的球单阵列封装芯片与印刷电路板的组合装置，其特征在于：包括两个金属散热体和两组电气属性分别为电源和地的管脚，两个金属散热体用以分别覆盖这两组管脚。
8.根据权利要求7所述的球单阵列封装芯片与印刷电路板的组合装置，其特征在于：所述印刷电路板为多层印刷电路板，所述金属散热体经由印刷电路板的过孔与其他具有相同电气属性的层相连，以加速印刷电路板内部向外散热。
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Address after: 310052 Binjiang District Changhe Road, Zhejiang, China, No. 466, No. Patentee after: NEW H3C TECHNOLOGIES Co.,Ltd. Address before: 310053 Hangzhou hi tech Industrial Development Zone, Zhejiang province science and Technology Industrial Park, No. 310 and No. six road, HUAWEI, Hangzhou production base Patentee before: HANGZHOU H3C TECHNOLOGIES Co.,Ltd. |
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Granted publication date: 20080709 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |