一般建模條件下，詳細(xì)熱封裝模型的暫態(tài)性能

 

摘要

使封裝芯片的熱傳導(dǎo)模型包含所有的幾何信息是不能實(shí)際運(yùn)用在產(chǎn)品生產(chǎn)流程中的。設(shè)計(jì)詳細(xì)的熱模型需用大量的對(duì)穩(wěn)態(tài)分析有效的幾何學(xué)簡(jiǎn)化。本文是要驗(yàn)證暫態(tài)情況下這些簡(jiǎn)化條件的性能，他們?cè)谶@一范圍內(nèi)應(yīng)該可以被忽略。驗(yàn)證顯示在這些假設(shè)條件下建模可以得到正確的暫態(tài)模型。

我們?cè)诓煌薅l件下的軟件工具中通過對(duì)比用與不用這些假設(shè)條件建模的方法，來對(duì)它們?cè)趯?shí)際封裝模型中的影響進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果仍然表明使用這些假設(shè)前提可以得到正確的暫態(tài)模型。這些結(jié)果對(duì)于承擔(dān)板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)暫態(tài)分析任務(wù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師以及創(chuàng)建暫態(tài)熱壓縮模型的設(shè)計(jì)師們都是非常重要的。

簡(jiǎn)介

建立包含所有傳導(dǎo)信息和BGA封裝基片所有單個(gè)跡線的熱傳導(dǎo)封裝模型的想法無論是否可行，對(duì)于板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)來說，它是不實(shí)際的，而且無法用于模型設(shè)計(jì)的計(jì)算中。具體的熱模型設(shè)計(jì)中，一般都包括了大量的簡(jiǎn)化，這些簡(jiǎn)化可大大的減少模型的幾何復(fù)雜度，同時(shí)不會(huì)影響設(shè)計(jì)結(jié)果的質(zhì)量。這些假設(shè)多年來被廣泛應(yīng)用于穩(wěn)態(tài)分析中。

本文主要通過FLOTHERM工具用有限體積（FV）計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的方法對(duì)這些簡(jiǎn)化條件在暫態(tài)情況下的性能作基本驗(yàn)證。也通過ANSYS和MARC兩種不同的有限元(FE)計(jì)算流體力學(xué)（CFD）工具，對(duì)兩組詳細(xì)的封裝模型進(jìn)行了檢測(cè)，對(duì)比它們?cè)谟门c不用假設(shè)條件建模后的性能。

基本驗(yàn)證

1.       壓扁的晶片粘附層表述方式

1．1 具體模型

將晶片的粘附層用二維和三維兩種方式描述，對(duì)比它們產(chǎn)生的不同效果，在二維表示中，晶片粘附層被視為一扁平面，它的熱效應(yīng)是可以忽略的。具體的幾何示圖如下，以三維方式描繪粘附層：

Fig. 1: Extent of Model Showing Uncollapsed Die Attach Die Heat Sink Die Attach

這一模型是由一個(gè)尺寸為40mm*40mm*1.5mm的銅制散熱片和一個(gè)置于其上的尺寸為10mm*10mm*0.25mm的晶體硅組成。晶片環(huán)氧粘附層厚度為0.02mm。在壓扁的情況下，晶片的厚度包括了粘附層的厚度，即增加了0.02mm。在實(shí)際的封裝模型中，這樣處理可以保持模型內(nèi)部晶片的上表面的位置不變，從而使模型內(nèi)晶片上方的材料的厚度也保持不變，因而對(duì)組件的熱阻尼的影響就會(huì)很小。一般來說，所有的材料都有熱方面的性能。

用功率為2W的平面熱源均勻地作用在晶體硅的上表面，將熱傳導(dǎo)系數(shù)分別為1*10⑶W/m⑵K;1*10⑷W/m⑵K和1*10⑸W/m⑵K的材料用于銅制底座的下表面，以表示封裝模型底部的散熱情況。周圍溫度為零攝氏度。根據(jù)對(duì)稱性，可用模型的1/4來進(jìn)行檢測(cè)。研究穩(wěn)態(tài)坐標(biāo)系的改進(jìn)方案來建立分立的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，選擇一組47*47*40的網(wǎng)格作暫態(tài)分析。下圖中，橫坐標(biāo)上的點(diǎn)表示時(shí)間。時(shí)間步進(jìn)集中設(shè)置在有錯(cuò)誤的地方

1.2 檢測(cè)結(jié)果

下面的兩張圖表分別是中心熱源對(duì)最大和最小導(dǎo)熱系數(shù)的瞬時(shí)反映曲線。對(duì)比壓扁的和非壓扁的晶片粘附層。藍(lán)色曲線表示非壓扁；紅色曲線表示壓扁。

1.3 結(jié)果分析

上面的結(jié)果顯示兩種模型（壓扁粘附層和非壓扁粘附層）的熱效應(yīng)幾乎相同，只是壓扁粘附層的模型由于晶片的熱阻尼較高而顯示略高的溫度。在晶片厚度遠(yuǎn)大于粘附層厚度的情況下，這種近似是可以的。

2 平衡引線架描述

2．1 具體模型

為了檢驗(yàn)引線架區(qū)域采用集成近似所帶來的影響，我們將一個(gè)詳細(xì)的包有塑料外殼的引線架結(jié)構(gòu)的三維描述與一個(gè)熱平衡層的三維描述進(jìn)行比較。根據(jù)平面對(duì)稱性，對(duì)半個(gè)引線架構(gòu)以及與之相連的半個(gè)塑料外殼進(jìn)行單位逼近，再依據(jù)引線架外殼的上下對(duì)稱性，取上半部分建模。具體的幾何學(xué)及對(duì)稱條件的應(yīng)用如下圖所示：

如圖3a，在導(dǎo)線架模型兩端有兩個(gè)導(dǎo)熱性很強(qiáng)的立方體，我們?cè)谝欢耸┘訜嵩矗诹硪欢耸┮怨潭ǖ臒醾鲗?dǎo)系數(shù)。除去這些，模型總長(zhǎng)10mm。模型寬高分別為0.2mm和1mm。引線架覆蓋系數(shù),α,為0.5。材料性能計(jì)算公式如下：

 

引線周圍散熱片的熱傳遞系數(shù)分別為1*10⑷W/m⑵K；1*10⑸W/m⑵K和1*10⑹W/m⑵K。外殼上部的熱傳遞系數(shù)為20 W/m⑵K，施加0.025W的熱源，進(jìn)入暫態(tài)。周圍環(huán)境溫度為0攝氏度。進(jìn)行坐標(biāo)系改進(jìn)分析。用完全相同的坐標(biāo)系研究詳細(xì)模型和簡(jiǎn)化模型。繪制好的坐標(biāo)系的長(zhǎng)寬高分別為128*10*22。下圖顯示的坐標(biāo)系的時(shí)間步進(jìn)被完全覆蓋到了。

2.2 檢測(cè)結(jié)果

下圖分別顯示了在最大和最小熱傳遞系數(shù)下，熱源的瞬時(shí)響應(yīng)。

2.3 結(jié)果分析

結(jié)果顯示兩種模型的熱效應(yīng)幾乎完全相同。這種近似也是可以的。

封裝模型研究

對(duì)兩組封裝模型的研究。一種是352-BGA，另一種是80-PQFP。兩組封裝模型都是PROFIT型，即溫度變化對(duì)電子產(chǎn)品性能的影響的預(yù)測(cè)。將兩組模型置于雙面冷卻臺(tái)（DCP）上，并用墊片隔開。或許讀者對(duì)DCP方法并不熟悉，它可使熱量從封裝模型表面以不同路徑向外傳遞。如下表所示：

 

表1：DCP熱流路徑框圖

	優(yōu)選熱流路徑
DCP-1	封裝模型上下表面
DCP-2	封裝模型下表面
DCP-3	封裝模型上表面
DCP-4	封裝模型內(nèi)部連接處（引線/焊球）

3         HBGA352 的DCP-1 型

3.1 具體模型

一個(gè)裸露的銅制熱嵌片，通過強(qiáng)熱導(dǎo)線連于晶片PBGA的下部，模型的幾何構(gòu)型如圖5.a。這一封裝模型的組成是：一個(gè)尺寸為15.12mm* 15.12mm * 0.38mm的晶體硅通過厚85µm的膠層粘連在一個(gè)35mm* 35mm * 0.381mm的銅固定板上。晶片邊沿處的粘膠是用來粘貼BGA材料和基片的。晶片與部分BGA基片通過環(huán)氧樹脂高度粘連。封裝模型末端是靠4排間距為1.27mm的Sn63/Pb37型焊球與其它部位連接。

使用上一節(jié)給出的公式計(jì)算出施用在BGA基片的PCB內(nèi)外部的物質(zhì)屬性，在這兩部分中，銅所占的比例分別為0.19和0.1。硅的熱傳導(dǎo)性能依溫度的不同而變化。未封閉表面的對(duì)流和輻射作用在建模中忽略不計(jì)。

由于使用大功率，冷卻臺(tái)的溫度由初態(tài)的25攝氏度瞬間上升。但是，由于我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中不對(duì)冷卻臺(tái)的熱效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量，因此建模過程將不會(huì)包括這一信息。

進(jìn)行詳細(xì)的坐標(biāo)系改進(jìn)方案的研究。對(duì)詳細(xì)模型和簡(jiǎn)化模型使用完全相同的坐標(biāo)系。最終建立的坐標(biāo)系是62*62的模型平面坐標(biāo)和包含40個(gè)單位元素穿過基架和整個(gè)模型的縱向坐標(biāo)，這些縱向元素主要集中在模型內(nèi)部。時(shí)間坐標(biāo)仍由圖表下部的點(diǎn)來表示，所有的時(shí)間步進(jìn)都集中設(shè)置在存在機(jī)械錯(cuò)誤的位置上。

 

3.2  檢測(cè)結(jié)果

以5000W/m⑵K的熱傳遞系數(shù)來表示基架與冷卻臺(tái)接觸面的傳熱性能。封裝模型的總功率為55.85W。上層冷卻臺(tái)溫度為29攝氏度，下層冷卻臺(tái)溫度為26.3攝氏度，這是實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的測(cè)量值。這些邊界條件與Philips所用的邊界條件完全相同。

我們將結(jié)果用名詞熱阻尼,Zth,來表示，它定義如下：

在這一公式中，TJ表示晶片中心熱源的溫度，TCP表示冷卻臺(tái)的溫度，P是模型總功率。

3.3 結(jié)果分析

兩種應(yīng)用軟件的顯示結(jié)果非常一致，這正是我們期望的，因?yàn)樵趯⑺形矬w構(gòu)建為傳導(dǎo)立方體時(shí)，這兩種工具的幾何模型非常相似。在FE工具中，焊球是在45攝氏度時(shí)加在模型的軸上。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，0.5秒附近是一個(gè)重要的起始點(diǎn)，從這點(diǎn)起邊界條件開始影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于模型中物質(zhì)屬性方面的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，0.01秒之后實(shí)驗(yàn)結(jié)果就與數(shù)值計(jì)算的結(jié)果產(chǎn)生了偏差。

4         P-MQFP-80-1 模型在DCP-1至DCP-4的情況

4．1 具體模型

幾何模型如下圖7a所示

由于模型空間有限，不能包括分析時(shí)用到的所有幾何信息和物質(zhì)屬性信息。然而主要部分都有了：一個(gè)14mmx 14mm x 2.25mm的封裝體，內(nèi)有一個(gè)7.56mmx 7.56mm x 0.38mm的晶體硅，晶體硅上面是一個(gè)8mmx 8mm x 0.15mm的銅合金沖模墊，涂有一層厚20µm的模片粘附劑。模片粘附層很“薄”，對(duì)熱性能影響不大，可視為一個(gè)平面盤，因此計(jì)算時(shí)不會(huì)考慮它的熱因素。引線架的金屬覆蓋率為66%。封裝模型每個(gè)面上的引線都焊在一個(gè)厚0.5mm長(zhǎng)寬為25mmx 10mm的銅帶上。引線架部分和外部引線采用經(jīng)過平衡后的材料屬性。硅的熱傳導(dǎo)性依溫度而變化。在FE模型中，硅的熱容量也依溫度改變。這一特性在FV軟件中是不適用的。因?yàn)镮nfineon發(fā)現(xiàn)外表面的對(duì)流和輻射作用對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響極小，所以它們?cè)诮Ｖ锌杀缓雎浴?/p>

模片粘附層是壓扁的，它的厚度使模片的厚度由0.38加厚為0.382。用DCP-2和DCP-3進(jìn)行分析，非壓扁的模片粘附層會(huì)相對(duì)地通過模型頂部和底部吸取熱量。

執(zhí)行穩(wěn)態(tài)坐標(biāo)改進(jìn)方案，為檢測(cè)結(jié)果建立獨(dú)立的網(wǎng)格，用于暫態(tài)分析的網(wǎng)格在模型平面方向含111 x 117個(gè)單元，在由基架縱穿模型的方向上有51個(gè)單元，坐標(biāo)單元全都集中在模型內(nèi)部。我們?cè)俅螌r(shí)間點(diǎn)標(biāo)記在圖表下方，所有的時(shí)間步進(jìn)集中設(shè)在機(jī)械錯(cuò)誤范圍。

還可估計(jì)引線架插入沖模墊縫隙時(shí)不同表示方法對(duì)建模結(jié)果的影響。下面的圖表是封裝模型及其周圍銅帶的平面圖。如圖所示，沖模墊的一角通過連接桿與封裝體的一角相連。我們用兩個(gè)棱柱實(shí)現(xiàn)這種精確的空隙構(gòu)形。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用于每個(gè)DCP結(jié)構(gòu)的模型總功率值如下表所示：

表2 ：用于FV分析的功率

DCP 結(jié)構(gòu)	模型總功率
DCP-1	6.3
DCP-2	3.7
DCP-3	3.9
DCP-4	1.8

初始條件的溫度統(tǒng)一為25攝氏度。用熱阻尼來表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因而功率的變化基本不會(huì)產(chǎn)生影響。Infineon在用FE為所有DCP構(gòu)型建模時(shí)所用功率均為5瓦。在由DCP-1至DCP-3的建模中，以熱傳遞系數(shù)10000W/m(2)K來表示底座與冷卻臺(tái)接觸面的熱傳遞性能，并假定冷卻臺(tái)溫度為25攝氏度。在DCP-1和DCP-3中，底座的油膜厚度為5µm ；DCP-2中底座的油膜厚度為20µm。

在DCP-4中，銅片底部的熱傳遞系數(shù)為10000W/m(2)K，它表示銅片底部與下層冷卻臺(tái)接觸面的熱傳遞性能。這一結(jié)構(gòu)中，我們將油膜的影響結(jié)合在銅片下部的熱傳遞系數(shù)中，不作單獨(dú)考慮。一層厚為10µm的油膜相當(dāng)于熱傳遞系數(shù)14000 W/m(2)K。

4.3  結(jié)果分析

圖10和11的顯示結(jié)果表明晶片粘附層厚度和引線架縫隙對(duì)模型幾乎沒有影響，它與我們所作的基本分析的結(jié)果是一致的。圖9d顯示，DCP-4中兩條曲線的吻合性很好，引線的熱量基本被去除。圖9a至9c對(duì)DCP-1至DCP-3的描繪顯示吻合性比較不好。由于基礎(chǔ)研究認(rèn)為出現(xiàn)這種情況不是在FV模型中使用假設(shè)條件建模造成的,因此這種差異很可能是兩種模型其他方面的不同所至。最顯著的不同是它們的連接桿的幾何表示不同。在FE模型中它有正確的表述，即由沖膜墊一角引出斜向插入引線架齒合面。而在FV模型中，連接桿只是簡(jiǎn)單的從沖膜墊一角伸出與引線架相連，如圖7b所示，而不是斜向連接。然而，對(duì)比FV模型中詳盡的連接桿描述，我們將此作為一種矛盾因素，有待進(jìn)一步的研究。但是，有一點(diǎn)應(yīng)該很清楚那就是兩種模型（FV和FE）的差異要小于不同物理部件的差別。

總結(jié)

在為芯片建立詳盡的熱封裝模型時(shí)，通常用于穩(wěn)態(tài)的假設(shè)條件，如今在暫態(tài)領(lǐng)域里也得到了很好的應(yīng)用。這一結(jié)論對(duì)承擔(dān)板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)暫態(tài)設(shè)計(jì)的工程師來說是非常重要的，同時(shí)對(duì)創(chuàng)建暫態(tài)熱壓縮模型的工程師也是十分重要的。