多芯片陶瓷封装的结-壳热阻分析方法

随着半导体行业对系统高集成度、小尺寸、低成本等方面的要求,系统级封装(Si P)受到了越来越多的关注。由于多芯片的存在,Si P的散热问题更为关键,单一的热阻值不足以完整表征多芯片封装的散热特性。介绍了多芯片陶瓷封装的结-壳热阻分析方法,通过热阻矩阵来描述多芯片封装的散热特性。采用不同尺寸的专用热测试芯片制作多芯片封装样品,并分别采用有限元仿真和瞬态热阻测试方法分析此款样品的散热特性,最终获得封装的热阻矩阵。     

FC-PBGA644封装的热仿真模拟

FC-PBGA(Filp Chip-PBGA)倒装球栅格阵列封装相比BGA封装易于实现高密度封装,具有更好的电性能和热性能。利用有限元分析软件对封装产品进行建模仿真计算,添加各自的材料热导热系数、边界条件等,在产品设计研发阶段获得温度分布云图。通过计算其热阻,同时对此封装产品散热性能进行优化改进,得出基板尺寸的最优参数设计,可以通过添加散热盖改善其散热性能,提高产品可靠性。     

基于热测试芯片的2.5D封装热阻测试技术研究

2.5D多芯片高密度封装中,多热源复杂热流边界、相邻热源热耦合增强,高精准的热阻测试与仿真模拟验证是封装热设计的关键。设计开发了基于百微米级发热模拟单元的热测试验证芯片（TTC）,并基于多热点功率驱动电路系统和多通道高速采集温度标测系统,实现了2.5D多芯片实际热生成的等效模拟与芯片温度的多点原位监测。通过将实际热测试结构函数导入热仿真软件,实现了仿真模型参数的拟合校准,采用热阻矩阵法表征多芯片封装热耦合叠加效应,实现了多热源封装热阻等效表征。结果表明,多芯片封装自热阻和耦合热阻均随着芯片功率密度的增加而提高,芯片的热点分布对封装热阻值的影响更为显著,因此模拟实际芯片发热状态、建立等效热仿真模型是实现高精准封装热仿真和散热结构设计的关键。     

面向引线框架封装的热阻建模与分析

针对通用的QFP48引线框架封装,首先探讨了封装中的热传输机制,给出了热阻的理论计算结果;接着利用Ansys Icepak软件建立起QFP48的有限元模型,热阻仿真结果较好地验证了热传输机制的理论分析;最后讨论了减小封装热阻、提高热可靠性的方法。结果表明:适当提高塑封材料的热传导率、增加PCB面积和施加一定风速的强迫对流均可降低QFP48封装的热阻,提高散热效果。     

微系统热阻模型研究及其应用

系统级封装(SIP)实现了高密度、高集成度封装技术,同时散热问题备受关注,热设计中芯片结温预测十分重要.本文采用有限元仿真方法,建立了一种自然对流环境下微系统热阻模型,并通过模型中热阻矩阵预测多芯片总功耗相同条件下的各芯片结温,同时利用热阻测试试验和有限元仿真方法对预测结温进行验证,结果表明热阻矩阵模型预测芯片结温与热阻测试试验和有限元仿真结果误差分别小于2%和5%.但同时发现该热阻矩阵模型的不通用性,对于总功耗变化的多芯片结温,预测结果偏差较大.通过不同总功耗下各热阻矩阵的函数关系建立拟合曲线并修正热阻矩阵模型,修正后的结环境热阻矩阵适用于不同总功率条件、各芯片不同功率条件下的芯片结温预测,预测结果与热阻测试试验中芯片结温和有限元仿真结果误差均小于5%.因此,提出的修正结环境热阻矩阵的方法可以快速且便捷地预测不同功率芯片的结温,并对器件的散热性能进行较为准确的预估.     

硅基MOSFET功率放大器TO-3封装热性能研究

针对某款硅基MOSFET功率放大器TO-3封装散热问题,研究了其内部2个功率芯片在35 W下的热性能.通过建立该款功率放大器TO-3封装的有限元仿真模型,采用热仿真软件对这2个功率芯片的间距、焊片材料和厚度以及基板材料和厚度进行仿真优化,分析各个变量对芯片结温的影响.仿真结果表明在管基材料确定的情况下,氧化铍基板和金锡焊片对器件散热有较明显的效果.选用2.5 mm厚的10#钢和其他优化参数进行仿真,结果显示芯片位置处的温度最高,最高温度约为88℃.通过制备相应产品对比了优化前后该款功率放大器的温度变化,测试结果显示优化后器件热阻从2.015℃/W降低到1.535℃/W,产品散热效率提高了约23％.     

COB塑料基板和玻璃封装的LED灯具双通道散热分析

提出了一种新的LED灯具封装方式,使用高导热玻璃壳和惰性气体替代传统的环氧树脂进行封装,使用塑料散热器代替传统铝基板,以达到双通道散热的效果。采用ANSYS有限元热分析软件,优化惰性气体层厚度,并通过改变LED个数和单灯功率与传统的陶瓷基板COB封装方式进行热仿真对比分析。研究表明,惰性气体层厚度为1.5 mm时散热效果较好,双通道散热灯具的热阻远小于单通道散热灯具热阻。由于玻璃与传统的环氧树脂相比,透光性高、不易老化、抗紫外线效果好,在大功率、密集型封装和紫外LED灯具大发展的市场环境下,这种新的封装方式应用前景广阔。     

多芯片组件（MCM）的热模拟研究

介绍了MCM的封装热阻及相应的几种热阻计算方法。利用有限元分析软件ANSYS对多芯片组件(MCM)进行了热模拟。在常用两种MCM结构的热流模型基础上，分析并比较了这两种热模型差异及对散热的影响。根据ANSYS模拟结果，讨论了空气流速、基板热导率及其厚度、芯片粘结层热导率及其厚度对MCM封装热特性的影响，分析了控制MCM封装内、外散热的主要因素。     

照明用大功率LED射灯散热建模研究

散热问题是LED灯具成为新一代照明光源亟待解决的关键问题之一。提出一种LED灯具散热建模方法:选用LED射灯作为代表产品进行散热建模研究,采用三维造型软件建立LED灯具产品三维模型,然后导入有限元流体热分析软件(CFD)进行热仿真。研究散热仿真过程中的热阻设置、热量载荷计算和边界条件设定等关键问题,并求解LED射灯的工作温度分布情况;将仿真分析结果与实验室测试数据进行对比分析研究。研究结果表明,运用该方法可以对室内照明LED灯具进行较为准确的散热分析,仿真温度误差在4℃左右,仿真结果对灯具开发设计具有重要参考价值。     

基于石墨嵌入式结构的SiC功率模块热仿真与优化

SiC器件相比于Si器件,具有更高的功率密度,表现出高的器件结温和热阻。为了提高SiC功率模块的散热能力,提出了一种基于石墨嵌入式叠层DBC的SiC功率模块封装结构,并建立封装体模型。通过ANSYS有限元软件,对石墨层厚度、铜层厚度和导热铜柱直径进行分析,研究各因素对散热性能的影响,并对封装结构进行优化以获得更好的热性能。仿真结果表明,石墨嵌入式封装结构结温为61.675℃,与传统单层DBC封装相比,结温降低19.32%,热阻降低27.05%。各影响因素中石墨层厚度对封装结温和热阻影响最大,其次是铜柱直径和铜层厚度。进一步优化后,结温降低了2.1%,热阻降低了3.4%。此封装结构实现了优异的散热性能,为高导热石墨在功率模块热管理中的应用提供参考。     

有关QFN72和CQFN72的热阻计算

文章介绍了QFN72和CQFN72结到外壳的等效热路分析及结到外壳热阻θJC的简化计算方法,结果表明原设计下CQFN72的热阻约为1.25 K·W-1,几乎是QFN72的一倍。优化CQFN热设计的主要途径是适当减薄陶瓷基板厚度、在陶瓷基板中嵌入钨柱阵列、芯片减薄和采用金基焊料焊接等。从CQFN热设计考虑,不应在主散热区热沉下采用4J29或4J42焊接垫片,否则会使热阻θJC增大10%以上。     

BGA热性能仿真优化分析方法研究

随着科技的进步,电子设备也向着集成度更高、功率更大、可靠性要求更严格的方向发展。高温引起的电子设备失效作为最常见的失效原因之一,也越来越引起设计者的重视。通过常规的制备样品反复试验的方法耗时耗力,而采用仿真模拟的办法就能很好地解决问题。文章从使用高导热封装材料、添加散热盖和改善封装结构等方面,应用仿真模拟的手段来比较各种优化设计的改善程度,在散热优化方面为今后的BGA设计提供了参考。     

IGBT模块焊料层空洞对模块温度影响的研究

介绍了IGBT模块的封装工艺,分析真空回流焊接过程中焊料层空洞的形成机理,并使用SAM方法检测并测量空洞;接着通过有限元模拟方法对模块进行热分析,对比了焊料层有、无空洞情况下模块的整体温度,具体研究焊料层空洞尺寸、空洞分布位置和焊料层厚度对芯片温度分布的影响。     

CQFP器件板级温循可靠性的设计与仿真

温度循环是考核封装产品板级可靠性的重要试验之一。陶瓷四边引脚扁平封装(CQFP)适用于表面贴装,由于陶瓷材料与PCB热膨胀系数的差异,温循过程中引线互联部分产生周期性的应力应变,当陶瓷壳体面积较大时,焊点易出现疲劳失效现象。CQFP引线成形方式分顶部成形和底部成形两类。针对CQFP引线底部成形产品在板级温循中出现的焊接层开裂现象,采用有限元方法对焊接层的疲劳寿命进行了预测分析。采用二次成形方法对引线进行再次成形以缓解和释放热失配产生的应力。仿真和试验结果显示,引线二次成形有利于提高焊接层的温循疲劳寿命。与引线底部成形相比,当引线采用顶部成形时,焊接层的温循疲劳寿命显著提高。     

基于接触性检测的IC热阻测试新方法

热阻对于半导体器件,尤其是大功率器件的可靠性至关重要。基于集成电路接触性检测原理和二极管的温度特性,对54HC02和74HC02集成电路端口的保护二极管温度特性进行了测试实验,通过曲线拟合得到了其恒定正向电流条件下正向压降VF与温度T的线性函数关系式。测得集成电路在瞬态工作功耗下的正向压降,通过该函数关系式可得到对应的芯片温度,在已知功耗和环境温度的条件下可以计算出电路对环境的热阻θJA。使用该方法测试54HC02和74HC02分别为135℃/W和115℃/W,与手册给出的参考值122℃/W和112℃/W比较接近。     

硅热流量传感器封装的热模拟分析

针对硅热流量传感器的封装,给出了其一维简化理论模型,并采用有限元分析工具ANSYS/FLOTRAN,建立了该封装结构的热模型．模拟结果显示,该封装后的传感器的温度场与未封装传感器相似,证明陶瓷封装结构是可行的;同时比较了封装前后传感器性能的差异,并进一步分析了传感器的热性能和其特征尺寸的关系．该模型的建立,可以减少大量的模拟分析过程,减小计算量,研究结果将为该传感器封装的进一步优化设计提供理论参考和依据．     

LTCC微波一体化封装

文章介绍了采用LTCC技术制作微波一体化封装,重点研究了X波段LTCC一体化封装的微带穿墙结构及其微波特性。同时对封装的散热结构进行了研究,根据不同的散热要求采用不同的散热结构。采用导热孔散热的方式,其热导率与导热孔的排列方式(孔径和间距)有关,热导率可达50W(m·K)-1。封装的气密性与导热孔的结构有密切关系,热沉的焊接可大大提高封装的气密性。     

基于新型DCA封装的陶瓷风速风向传感器

An advanced direct chip attaching packaged two-dimensional ceramic thermal wind sensor is studied. The thermal wind sensor chip is fabricated by metal lift-off processes on the ceramic substrate. An advanced direct chip attaching （DCA） packaging is adopted and this new packaged method simplifies the processes of packaging further. Simulations of the advanced DCA packaged sensor based on computational fluid dynamics （CFD） model show the sensor can detect wind speed and direction effectively. The wind tunnel testing results show the advanced DCA packaged sensor can detect the wind direction from 0° to 360° and wind speed from 0 to 20 m/s with the error less than 0.5 m/s. The nonlinear fitting based least square method in Matlab is used to analyze the performance of the sensor.     

高导热聚合物基复合封装材料及其应用

微电子封装密度的提高对传统环氧塑封料的导热性能提出了更高的要求,将高导热的陶瓷颗粒/纤维材料添加到聚合物塑封材料中可获得导热性能好的复合型电子封装材料。文章结合高导热环氧塑封材料的研究工作,评述了高热导聚合物基复合封装材料的材料体系、性能特点和在微电子封装中的应用情况。分析讨论了影响聚合物基复合电子封装材料导热性能和介电性能的因素,提出了进一步提高聚合物基复合电子封装材料导热性能的途径。     

电子封装用高导热金属基复合材料的研究

高导热金属基复合材料具有优异的热物理性能,且密度较低,是非常理想的电子封装材料。但是由于其本身高的脆性和硬度,使得该材料很难通过二次机械加工成所需要的形状,严重制约了该材料的应用。本文总结了本实验室在第三代SiCp/Al电子封装材料以及第四代金刚石/Cu（或Al）电子封装材料的近净成形制备方面所取得的一些突破性成果,并就相关的关键工艺进行了讨论,论文最后对电子封装用高导热金属基复合材料未来的发展做出了展望。