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第卷第期年月电子元件与材料
多芯片组件的热三维有限元模拟与分析秦向南杨平沈才俊廖宁波江苏大学微纳米科 学技术研究中心江苏镇江摘要以 公司生产的 的内部结构、尺寸和材料为
基础在有限元分析软件 的环境下建立了谊 的三雏模型。时该 在典型工作模式下内部和封装表面温度场分布情况进行了模拟并分析了谊 工粮食
作时各部分散热比例情况和 各部分材料的热导率对内部温度的影响 表 面温度的模拟结果和用红外热像议测得的结果基本一致有限元模型和分析方法能够
比较精确地反映 温度场分布。关键词电子技术多芯片组件热模拟有限元法
中图分类号 文献标识码文章编号
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钤卦诓煌 嘈偷?a name=baidusnap0>布线板上并实现整体封装的一种封装技术。
与单芯片封装相比 可提高单位体积内电路的集成度有利于电子整机向高速
化、多功能化和小型化方向发展。随着 集成度的提高和体积的缩小尤其是对于
集成了大功率芯片的 其内部具有多个热源热源之间的热耦合作用较强单位体积
内的功耗很大由此带来的芯片热失效和热退化现象突出。有资料表明器件的工作温
度每升高℃其失效率增加 倍。因此准确模拟大功率 模块的三维温场分布并
分析掌握其热特性有利于指导 热设计方案的选择对提高大功率 的可靠性具
有重要意义…。笔者以删公司生产的 的内部结构、尺寸和材料为基础对该
在典型工作模式和自然对流的环境下的内部和封装表面温度场分布情况进行了模拟
并分析了该 工作时各部分散热比例情况和 各部分材料的热导率对内部温
度的影响。计算模型 实际结构图 描述了 公司生产的某型号 的内部结
构。该 内部有三个芯片以倒装焊方式置于基板上芯片和基板之间有一层厚度为
右边为两
的粘结剂其中左边的一块是 它的尺寸为 × ×
块大小相等的存收稿日期— 通讯作者扬平基金骚目广西自然科学基金资助项目江
苏省青蓝工程中青年学术带头人基金资助项目作者简介杨平“一男湖南黔阳人教授
主要研究方向有微电子设蔷器件设计制造与环境防护、微纳系统、数字化设计制造、
叫 秦向南一男江苏宿迁人研
非线性动力学等。 咖 皿
究 主要从事电子封装热分析和结构优化方面的研究。 — 加
蛆 。万方数据第卷第期秦向南等多芯片组件的热三维有限元模拟与分
其背面通过阵
。基板的尺寸为 × ×
析储器它们的尺寸为 × ×
列排列的个焊球与 相连焊球直径为 焊球中心距离为 。 的尺寸为
有限
陀
×酗】 内部结构酬
柏电子元件与材料
元模型为了便于计算分析先对模型作如下简化和假设 工作时其内部功率器件处
于热平衡状态且其结温分布是稳定的。 内部的 和存储器是主要热源忽略
电流流过电阻和连线时产生的焦耳热。假设 底表面的温度为常数这样便于红
外热像仪测量。假设封装表面和 表面与周围空气对流热交换系数为常数。根据图
描述的结构用 建立模型然后对模型划分网格。笔者用 提供的网
格划分控制工具“ ‰ ‟
来进行网格划分其中网格单元选用 用
里面的刃天青
来控制网格尺寸。网格划分的优劣通过“ ∞”
“ ”
为 时网格划分得最精细而
来控制当
为时网格划分得最粗糙。考虑到 结构比较简单而且热流密度
选择而封装体结构比较复杂并且热流密度比较大它的
比较小它的
选择。网格划分后的有限元模型内部如图所示。封装体有限元模
型由个单元和个节点组成 有限元模型由个单元和个节点组成。模型中采用的利
料及其热导率如表 所示。图 内部结构有限元模型
山 巾 Ⅱ 协 。
∞
【耐町 卸
表有限元模拟所用主要材料导热系数
∞
模
时
型组件 焊球綦板粘结荆占片包封材料 粘结剂硅 ℃ Ⅻ导热系
数 方向 卜 【 ?? “】 方向 其中 代表硅的温度模型边界条件模型的
热边界条件如下热源为芯片工作时的发热其中 的发热功率为 两个存储器的发
热功率分别为 模型内部各材料之间通过传导方式进行传热服从傅立叶传热定律
模型外表面通过与空气的对流和辐射进行散热对流传热服从牛顿冷却定律热辐射服
从斯蒂芬一玻尔兹曼定律。外部环境温度为℃在空气自然对流情况下取对流传热系
数为 ??。 的黑度为包封表面的黑度为 。模拟结果与分析经过 的
模拟模型的整体温度分布如图所示。从图中可以看出模型的湿度最高点位于
剧 整体温鹱分埘 四¨ … 【 的位置其大小为℃。 表面温度以 为中心向外逐步递减温度
轮廓线呈圆弧状 温度最低点位于存储器一侧的两个拐角处。 发热对
的温度影响范围很小在影响范围内 的温度以 的位置为中心温度以圆弧状向
外逐步降低。通过红外热像仪测得该 在典型工作模式下的最高温度为℃由公
式可以算出误差为误差值比较小说明笔者的模型和有限元分析方法能够比较精确地
反映 的温度分布可以用于温度分析。误差髓器糕枷四十 内的三块芯片温
度分布如图所示。从图可以看出芯片的最高温度为℃最低温度为℃。其中 靠
近存储器的一侧温度比较低存储器靠近 一侧的温度比较高。分析其原因是
万方数据秦向南等多芯片组件的热三维有限元模拟与分析、 № 因为
的发热功率比较高其上的温度比较高而存储器的发热功率比较低它们的温度比较
低。这样存储器就可以看作是 的散热器存储器越靠近 其散热效果就越
好对 的温度影响就越大 的低温区就越大它们的温度轮廓如图所示。热它
的散热占整个散热的然后是基板散热包括对流散热和辐射散热它的散热占整个散热
的。表模型散热分布表散热途径萌 面置§甄瓦鬲 历军而主盏甄瓦而 面覃趋对流
散热 辐射散鼎 【 分析材料导热系数对 内部温度的影响由
上面的各部分散热分布分析结果可知模型的绝大部分热量都是从 、包封和基板这
三个部分传出去的。其中包封散发掉的热量是由芯片产生通过包封传导到包封表面
再以对流和辐射方式传到周围空气中 散发掉的热量是由芯片产生通过基板…。
图憋蔓苎黧楚。……和焊球传导到 上再从 表面以对流和辐射
忙 岍 血 Ⅱ 田 。‟‟…………
∞
一‟‟‟…‟‟……一图和图分别是焊球和基板的温度分布图。从图方式传到周围空气中。
所以在流传熟系数和黑度都为中可以看出焊球和基板的温度分布基本相同这是因常
数的情况下包封和基板的导热性能对模型的散热为焊球和基板是相连的芯片发出的
热量通过基板传导有影响。给焊球。基板和空气接触的面积比较小通过对流和辐以
上面的模型和有限元分析方法为基础通过分射散热很小大部分热量都通过传导传给
焊球。别改变包封和基板的导热系数来研究包封和基板的导热系数对 内部温度
的影响。图是基板导热系数从增加到而其它参数都不变的情况下 内部最高温
度的变化曲线。从图可以看出基板导热系数从 增加到时 内最高温度降低非
常明显而从增加到时温度降低趋向平稳。图是包封导热系数从 增加到而其它参数
都不变的情况下 内部最高温度的变化曲线。从圈焊球温度分布 日
血
面Ⅱ图基板温
陀
岫 Ⅲ 以以
度分布培 嘣 坤 廿
上模拟分析结果为基础分别计算在没有热沉的情况下 、包封和基板的散热功率
结果如表所示。从表中可以看出 的散热包括对流散热和辐射散热对散热贡献最大
它的散热占整个散热的其次是包封的散热包括对流散热和辐射散 器越瓢翟 差荟
基板导热系数【 ?? ??“】图 内晟高温度随基板导热系数变化
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内最高温度随包封导热系数变化 吐 嘲 阳 捭 脚
万方数据第卷第期秦向南等多芯片组件的热三
维有限元模拟与分析图中可以看出当包封导热系数增加时 内部的最高温度总
体呈下降趋势但导热系数从增加到 时温度呈现上升趋势。模型各部分散热比例分
析和各部分导热系数对 内部温度影响的分析结果基本一致分析其原因可得
和包封的散热占整个散热的比重非常大增大基板的热导率使芯片发出的热量更
容易传到 上而增大包封的热导率有利于把芯片发出的热量传递到封装表面通过
对流和辐射散发掉。结论以 生产的 为研究对象采用有限元方法对其温度
分布进行了模拟和分析结果表明所建立的模型和有限元分析方法能够比较精确的模
拟 的温度场分布为 的热模拟提供了一种有效的方法。模型各部分散热
比例分析结果表明在没有热沉的情况下 的散热对散热贡献最大其次是包封的散
热。各部分导热系数对 内部温度影响分析结果表明增大包封和基板的导热系
数能够有效地提高 的散热效果降低 内部温度。参考文献【】魏顺字李志
国程尧海等多芯片组件的三维温度场有限兀模拟与分析【】微电子学 一
吣 蛐
【
— 叽 】张琴多热源耦合场下多芯片组件的
『
热分析研究 成都电子科技大学 】任艳颖多芯片组件的计算机辅助有限元热分析
与基扳研究【】两曼西安电子科技大学 】程迎军罗乐蒋玉齐等多芯片组件散热的
三维响限元分析吣电子元件与材料— 】酋玉生于海平旖浩中 热分析技术的
研究 】微训算机信息。— —【】蒋明胡永选杨邦朝等有限元热分析 击在大功
率多芯片组件中的应用【】仪器仪表学报—编辑尚木欢逛采稿、欢迎订阅、痰逛刊
登广告《压电与声兴》国际刊号 —国内刊号 — 《压电与声光》杂志是
由中国电子科技集团公司原电子部第研究所四川压电与声光技术研究所主办并公开
发行的学术性与技术性综合科技刊物。是美国 数据库收录源、“中国期刊方阵”期
安云霁刊、全国优秀科技期刊、全国中文核心期刊、中国科学引文数据库统等。涉厦
范田声表面波技术惯性技术电子陶瓷技术声光与光电子技术传感器技术微米纳米
‟及 仪表晶体、薄膜等。馐专习童主要是上述专业范围内从事科学研究、产
品设计、生产制造的科技人员、管理人员、技术‟工人和相关专业的大专院校师生以
及电子技术领域的工程技术人员。《压电与声光》为双月刊双月下旬出版大开页。
每册单价 元人民币全年 元。 汇款方式邮局汇款地址重庆南岸区南坪信箱
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