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。     

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。     

热界面材料对高功率LED热阻的影响

散热不良是制约大功率LED发展的主要瓶颈之一, 直接影响着大高功率LED器件的寿 命、出光效率和可靠性等。本文采用T3ster热阻测试仪和 ANSYS热学模拟的方法对LED器件进行热学分析,以三种热界面材料(金锡,锡膏,银胶)对LE D热阻及芯片结温的影响为例,分析了热界面材料的热导率、厚度对LED器件热学性能的影响 ,实验结果表明界面热阻在LED器件总热阻中所占比重较大,是影响LED结温高低的主要因素 之一;热学模拟结果表明,界面材料的热导率、厚度及界面材料的有效接触率均会影响到LE D器件结温的变化,所以在LED器件界面互连的设计中,需要综合考虑以上三个关键参数的控 制,以实现散热性能最佳化。     

半导体激光器焊接的热分析

为了解决大功率半导体激光器的散热问题,利用有限元软件ANSYS,采用稳态热模拟方法,分析了半导体激光器内部的温度分布情况,对比分析了In、SnPb、AuSn几种不同焊料烧结激光器管芯对激光器热阻的影响。由模拟结果可见,焊料的厚度和热导率对激光器热阻影响很大,在保证浸润性和可靠性的前提下,应尽量减薄焊料厚度。另外,采用高导热率的热沉材料和减薄热沉厚度可有效降低激光器热阻。在这几种焊接方法中,采用In焊料Cu热沉焊接的激光器总热阻最小,是减小激光器热阻的最佳选择。通过光谱法测出了激光器热阻,验证了模拟结果,为优化激光器的封装设计提供了参考依据。     

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。     

多芯片组件的热三维有限元模拟与分析

以ATMEL公司生产的MCM的内部结构、尺寸和材料为基础,在有限元分析软件ANSYS的环境下建立了该MCM的三维模型。对该MCM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,并分析了该MCM工作时各部分散热比例情况和MCM各部分材料的热导率对内部温度的影响。MCM表面温度的模拟结果和用红外热像仪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MCM温度场分布。     

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。     

LBGA336P封装材料对其热性能的影响

随着科技的不断发展,电子设备变得更加高效、稳定、集成度更高,热性能对封装电子产品的可靠性影响越来越大。据统计,约55%的电子设备的失效是由高温引起的,器件的工作温度平均每提高10℃,设备失效的可能性将提高1倍。通过对一款采用低截面球栅阵列封装形式(LBGA)的微处理器封装产品(LBGA336P)进行有限元分析,得出粘片胶热导率、粘片胶厚度、环氧树脂塑封料热导率及印刷线路板(PCB)顶层铜含量的变化与封装热阻之间的影响关系。通过分析LBGA336P各部分材料参数变化对封装热性能的影响,为封装热阻的仿真分析及电子元器件散热优化提供参考思路。     

集成电路陶瓷封装热阻RT—JC的有限元分析

给出了采用热测试芯片的三类陶瓷封装的结到外壳热阻ＲＴ－ＪＣ的有限元模拟结果，并与测量结果进行了对比。讨论了芯片和上壳的温度分布，导热脂层对壳温分布和测量的影响。还模拟了ＲＴ－ＪＣ与芯片厚度，芯片面积，芯片粘接层热导率的关系。     

改善大功率LED散热的关键问题

考虑热导率与散热方式的影响,使用大型有限元软件ANSYS10.0模拟并分析了大功率LED热分布.通过分析不同封装、热沉材料及散热方式对LED热分布与最大散热能力的影响,指出解决LED散热问题的关键不是寻找高热导率的材料,而是改变LED的散热结构或者散热方式.     

改善大功率LED散热的关键问题

考虑热导率与散热方式的影响,使用大型有限元软件ANSYS10．0模拟并分析了大功率LED热分布。通过分析不同封装、热沉材料及散热方式对LED热分布与最大散热能力的影响,指出解决LED散热问题的关键不是寻找高热导率的材料,而是改变LED的散热结构或者散热方式。     

电力电子器件封装模块的散热特性

以传统电力电子器件封装模型为基础,介绍了大功率电力电子器件热量传递机理、失效原因。阐述了电力电子器件的主要外部散热方式及发展现状。最后基于有限元软件ANSYS为平台,通过改变电力电子器件内部结构,包括芯片间距、衬板厚度、铜底板厚度,分析了内部结构芯片散热的影响。通过测试发现,当芯片分布均匀时,散热效果最好,导热系数较高的材质,芯片散热效果较为理想。在小范围内,芯片结温随底铜板厚度增加而下降,之后芯片结温随厚度增加而升高。     

微热板阵列的热干扰

针对微热板阵列建立了热路模型,并对热干扰进行分析.结果表明,由于微热板悬窄结构的热阻比硅芯片的热阻高3个数量级.因此微热板阵列芯片的热干扰温度取决于封装对环境的热阻,而芯片上器件的间距对热干扰温度的影响可以忽略.研制了3种布局、T05和DIPl6两种封装形式的微热板阵列,并对阵列中的热干扰问题进行了实验测试.测试数据验证了热路模型的结论.因此,减小微热板阵列或集成芯片的热干扰的关键在于,尽可能增大微热板悬空结构的热阻以及选用热阻小的封装形式.     

微热板阵列的热干扰

针对微热板阵列建立了热路模型,并对热干扰进行分析.结果表明,由于微热板悬窄结构的热阻比硅芯片的热阻高3个数量级.因此微热板阵列芯片的热干扰温度取决于封装对环境的热阻,而芯片上器件的间距对热干扰温度的影响可以忽略.研制了3种布局、T05和DIPl6两种封装形式的微热板阵列,并对阵列中的热干扰问题进行了实验测试.测试数据验证了热路模型的结论.因此,减小微热板阵列或集成芯片的热干扰的关键在于,尽可能增大微热板悬空结构的热阻以及选用热阻小的封装形式.     

芯片结-环境热阻DOE参数化性能研究

封装材料和技术的选用直接影响芯片的结-环境热阻大小,通过对CQFP-U型集成电路芯片的热阻测试与仿真结果进行对比分析,确保仿真的准确性.采用参数化仿真研究的方法,分析导热胶、热沉的不同材料热导率和不同PCB板尺寸对芯片结-环境热阻的影响.结果表明,PCB板的散热性能对CQFP-U型芯片的结-环境热阻的影响较大,芯片的热...     

基于ANSYS的TO-220封装功率器件热特性校准及优化设计

针对TO-220封装的功率器件,利用ANSYS软件对其进行三维建模及模型校准,校准过程研究了有无PCB板、热源厚度及有无引线对模型准确性的影响。进而基于校准后模型,研究了粘结层面积、芯片相对于基板位置以及基板面积与散热效果的关系。分析结果表明,焊料层面积大小对散热基本没影响,芯片在粘片工艺中应尽量把芯片放置在中间往下方位置,而基板面积越大,芯片散热效果越好。     

大功率LED低热阻封装技术进展

散热是大功率LED封装的关键技术之一,散热不良将严重影响LED器件的出光效率、亮度和可靠性。影响LED器件散热的因素很多,包括芯片结构、封装材料(热界面材料和散热基板)、封装结构与工艺等。文章具体分析了影响大功率LED热阻的各个因素,指出LED散热是一个系统概念,需要综合考虑各个环节的热阻,单纯降低某一热阻无法有效解决LED的散热难题。文中还对国内外降低LED热阻的最新技术进行了介绍。     

建立封装芯片热阻网络模型的方法研究

针对电子设备系统级热分析中封装芯片模型复杂程度与计算精度的矛盾,引入热阻网络法,替代系统级分析中封装芯片的详细物理模型;并以某PBGA封装芯片为例,进行两种建模方法的对比分析,同时介绍一种快速确定网络中热阻值的方法.结果表明,热阻网络等效方法具有模型简单、分析快速、准确度高的优点,在系统级热分析中可完全替代详细的物理模型.     

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。     

基于共晶焊接工艺和板上封装技术的大功率LED热特性分析

采用ANSYS有限元热分析软件,模拟了基于共晶焊接工艺和板上封装技术的大功率LED器件,并对比分析了COB封装器件与传统分立器件、共晶焊工艺与固晶胶粘接工艺的散热性能。结果表明:采用COB封装结构和共晶焊接工艺能获得更低热阻的LED灯具;芯片温度随芯片间距的减小而增大;固晶层厚度增大,芯片温度增大,而最大热应力减小。同时采用COB封装方式和共晶焊接工艺,并优化芯片间距和固晶层厚度,能有效改善大功率LED的热特性。