多芯片组件热设计技术综述

本文综述了国外ＭＣＭ热设计技术和典型实例，对国外多个公司的ＭＣＭ热设计技术和进行了比较和分析。     

3D堆叠芯片硅通孔的电-热-力耦合构形设计

建立了3D堆叠芯片硅通孔(TSV)单元体模型,在单元体总体积和TSV体积占比给定时,考虑电-热-力耦合效应,以最高温度、(火积)耗散率、最大应力和最大形变为性能指标,对TSV横截面长宽比和单元体横截面长宽比进行双自由度构形设计优化.结果表明,存在最佳的TSV横截面长宽比使得单元体的最高温度、(火积)耗散率和最大应力取得极小值,但对应不同优化目标的最优构形各有不同,且TSV两端电压和芯片发热功率越大,其横截面长宽比对各性能指标的影响越大.铜、铝、钨3种材料中,钨填充TSV的热学和力学性能最优,但其电阻率较大.铜填充时,4个指标中最大应力最敏感,优先考虑最大应力最小化设计需求以确定TSV几何参数,可以较好兼顾其他性能指标.     

基于热叠加模型的叠层3D多芯片组件芯片热布局优化研究

 叠层三维多芯片组件(3D Multi-Chip Module,MCM)芯片的位置布局直接影响其内部温度场分布,进而影响其可靠性.本文研究了叠层3D-MCM内芯片热布局优化问题,目标是降低芯片最高温度、平均芯片温度场.基于热叠加模型并结合热传导公式,选取芯片的温度作为评价指标,确定出用于3D-MCM热布局优化的适应度函数,采用遗传算法对芯片热布局进行优化,得出了最优芯片热布局方案,总结出了可用于指导叠层3D-MCM芯片热布局设计的热布局规则;采用有限元仿真方法,对所得的热布局优化结果进行验证,结果表明热布局优化结果与仿真实验结果一致,本文所提出的基于热叠加模型的MCM热布局优化算法可实现叠层3D-MCM芯片的热布局优化.     

多芯片组件散热的三维有限元分析

基于有限元法的数值模拟技术是多芯片组件(Multichip Module)热设计的重要工具。采用有限元软件ANSYS建立了一种用于某种特殊场合的MCM的三维热模型,对空气自然对流情况下,MCM模型的温度分布和散热状况进行了模拟计算。并定量分析了空气强迫对流和热沉两种热增强手段对MCM模型温度分布和散热状况的影响。研究结果为MCM的热设计提供了重要的理论依据。     

多芯片组件热分析技术研究

多芯片组件(MCM)是实现电子系统小型化的重要手段之一。由于封装密度大、功耗高，MCM内部热场对器件的性能和可靠性的影响日益严重。文章讨论了MCM内部热场影响器件可靠性的机理，比较了MCM热场计算的方法和特点，研究了有限元分析的方法和求解过程，进行了实际计算，并提出了几种有效的降低MCM结温的方法。     

基于功耗最小的光电多芯片组件优化划分算法

通过将光电MCM的功耗约束转化为光互连数最少的问题,建立了芯片级划分模型,解决了用遗传算法处理结构化设计的芯片级划分的问题,提出了基于功耗最小的光电MCM划分优化算法.实际的设计结果表明,该算法具有更强的寻优能力,比以往的算法更适合光电MCM的划分,可使系统功耗降低50%以上.     

基于功耗最小的光电多芯片组件优化划分算法

通过将光电MCM的功耗约束转化为光互连数最少的问题,建立了芯片级划分模型,解决了用遗传算法处理结构化设计的芯片级划分的问题,提出了基于功耗最小的光电MCM划分优化算法.实际的设计结果表明,该算法具有更强的寻优能力,比以往的算法更适合光电MCM的划分,可使系统功耗降低50%以上.     

有限元分析软件ANSYS在多芯片组件热分析中的应用

MCM(多芯片组件)的热分析技术是MCM可靠性设计的关键技术之一。基于有限元法的数值模拟技术是MCM热设计的重要工具。文中主要以ANSYS软件为例,介绍利用其对MCM进行热分析的实例。建立了一种用于某种特殊场合的MCM的三维热模型,得出了MCM内部的温度分布,并定量分析比较了空气自然、强迫对流和液体自然、强迫对流情况下对散热情况的影响。研究结果为MCM的热设计提供了重要的理论依据。     

多芯片组件温度场及其可靠性分析

针对球栅阵列封装的大功率MCM其内部具有多个热源、耦合作用强、内部发热量大、温度高的特点,建立其热学模型,在ANSYS平台下对其进行了稳态模拟分析;结果表明,增加外部散热装置可以大大降低MCM的温度,是对其进行降温最直接有效的一种方式;合理布局可以避免热集中现象。针对MCM单位体积内的功耗大,芯片热失效和热退化现象突出,对其芯片凸点和无铅焊料球进行了可靠性分析;结果表明,内应力最大处位于凸点与芯片的接触面上,凸点与基板和焊点与PCB的接触面均为高应力应变区域,是焊点的薄弱环节。     

射流通道内双侧方柱离散热源的构形设计

基于构形理论,建立二维射流通道内导热基座上双侧方柱离散热源的散热模型,以离散热源的总纵截面面积和热源高度一定为约束条件,以系统最高温度最小化、温度均匀性因子最小化和温度梯度均匀性因子最小化为目标,以各热源之间的长度比为优化变量,考虑射流速度和热源间距对散热的影响。当热源间距和射流速度给定时,通过改变热源之间的长度比可使系统最高温度、温度均匀性因子和温度梯度均匀性因子不同程度地降低。当热源间距和热源之间的长度比给定时,随着射流速度的增大,系统最高温度、温度均匀性因子和温度梯度均匀性因子亦均不同程度地降低。     

多孔侧肋双层微通道热沉构形优化

建立了多孔侧肋双层微通道复合热沉模型,选取最大热阻最小化为优化目标、热沉单元端面纵横比为优化变量,在热沉总体积和流体区域体积占比给定的条件下,对复合热沉进行了构形优化,并分析了冷却剂入口速度、多孔材料孔隙率、上下通道高度比、流体区域体积占比、肋厚比等参数对热沉最优构形的影响.结果表明:给定初始条件,优化热沉单元端面纵横比,可使最大热阻减小21.19％;在热沉单元端面纵横比较小时,减小孔隙率有利于降低最大热阻,而在热沉单元端面纵横比较大时,存在最优的孔隙率使得最大热阻最小;上下通道高度比和肋厚比的改变均未影响热沉最优构形.     

均匀热源条件下类叶状微通道矩形热沉的构形设计

针对均匀背景热流条件下的散热问题,构建了类叶状微通道矩形热沉模型,基于构形理论,在给定热沉体积与液冷通道总体积的约束条件下,以热沉最高温度和压降最小化为 目标,以微通道单元数、主通道与分支通道的夹角、主通道与分支通道的管径比为设计变量进行了优化设计.结果表明:通过增加微通道单元数、减小主通道与分支通道的夹角、采用较小的主通道与分支通道之管径比,可以降低热沉的最高温度,但是会增大压降损失.     

基于CFD的电子模块散热优化的场协同分析

采用CFD技术对电子模块的散热情况进行数值模拟,获得电子模块以及周围空气的温度场和速度场,基于传热场协同理论分析了电子模块及其周围空气的速度场和温度场的协同程度,并根据电子模块的温度水平以及电子模块的散热量为评价指标,通过对电子模块的散热方案进行优化比选,获得电子模块冷却的优化方案,为探究电子模块高效散热机理打下坚实的...     

基于多芯片组装的紧凑型UQPSK调制倍频模块

介绍了一种高载波隔离度的S波段UQPSK调制倍频模块的设计技术。对UQPSK调制电路的设计流程进行了阐述,对影响最终指标的关键因素进行了分析。同时,介绍了如何在简化电路、缩小体积的前提下获得良好的综合性能以及如何分配各级器件指标。最终研制出具有高性能的S波段UQPSK调制倍频模块。     

MCM封装技术中的基板设计与分析

通过采用多芯片组件封装技术,将6种由不同集成电路工艺实现的不同类型的芯片集成在单个封装内,简化了系统设计,实现了产品小型化的目标。同时,还详细给出了Zeni EDA工具下的MCM基板设计流程以及MentorPCB环境下的多芯片组件热分析方法。     

基于Ansys优化模块的热设计应用

发热量大的电子器件温度会比较高,过高的温度会影响到器件的正常工作,因此需要用到热仿真软件去进行有效的热设计。优化设计是有限元分析软件(Ansys)的特有模块,利用该模块应用于两种典型的热设计实例,分别是处理器CPU散热器结构和电路板器件分布的优化设计,仿真分析出来的结果显示,CPU散热器的散热性能得到明显的提高,电路板上各器件的温度均得到降低,获得良好的优化效果。     

高功率半导体激光器光纤耦合模块的可靠性研究

文章从高功率半导体激光器光纤耦合模块的组成和各个部分的机理出发,详细分析了 影响其可靠性的因素,主要有以下三个方面:激光器自身的因素、耦合封装工艺和电学因素。通过优化原有工艺与采用新技术,提高了模块的可靠性,拓宽了其应用领域。     

基于有限元仿真的IGBT混合模块的可靠性分析

集成化与微型化是当今电子信息产业发展的特点,其中电子元件的结温与热应力是影响其可靠性的重要因素。硅基IGBT和SiC基续流二极管组成的混合模块广泛应用于城市轨道交通等领域,其可靠性直接影响轨道交通车辆的运行性能。本文建立IGBT混合模块的仿真模型,随着各层材料厚度、焊料空洞大小和位置的变化,计算分析IGBT混合模块的温度与应变变化规律,对模块封装结构进行优化设计。将高热导率石墨烯应用在IGBT混合模块中,仿真分析应用位置不同对模块可靠性的影响,从而进一步优化混合模块的封装结构。通过仿真计算,优化后的IGBT混合模块可将最高结温降低近3℃,最大热应力下降超过30 MPa。     

基于音频接口的数据传输模块设计

由于移动终端数据接口各不相同,使数据交换不便利。为了尝试拓展音频接口的应用,文中设计了一种通信协议以保证模拟信号的可靠传输。开发了可下载手机软件,通过程序对从音频输入接口采集到的音频信号进行差分曼彻斯特解码,并送到音频输出接口。程序由3个线程构成,当数据传输服务程序在手机上启动后形成,应用嵌入式系统和控制软件实现数字数据的编解码,数据信号在主控模块中进行编解码处理,再通过控制装置读取、写入外部介质,并存储数据,设计中对线程设计、传输算法和协议格式进行了研究。实验证明,设计能满足串行通信的同步要求,保障了数据传输的稳定性。