熱傳仿真在IC封裝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

高國(guó)華，李紅雷

(南通富士通微電子股份有限公司，江蘇 南通，226006)

1 兩種熱阻的定義

電子組件熱管理技術(shù)中最常用也是重要的評(píng)量參考是熱阻（從電路原理中衍化而來(lái)），涉及到電子產(chǎn)品具體使用時(shí)的熱可靠性。具體到IC 封裝而言，最重要的參數(shù)是：按照一個(gè)公認(rèn)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，獲得的由芯片結(jié)面到固定位置的熱阻（θjx），其定義如公式(1)所示：

式中：θjx表示熱阻，Tj為結(jié)溫，Tx為熱傳到某點(diǎn)位置的溫度，P 為輸入的芯片發(fā)熱功率。

用θja表示在自然對(duì)流或強(qiáng)制對(duì)流條件下從芯片結(jié)面到環(huán)境中某一定點(diǎn)的熱阻，即：θja=我們按照J(rèn)EDEC51-2 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算該熱阻值。θja與下述因素相關(guān)：IC 封裝工藝、封裝所用材料、貼裝PCB 板、熱輻射、空氣流動(dòng)情況、系統(tǒng)環(huán)境等等。一般情況下，封裝廠(chǎng)商列出的僅是自然對(duì)流條件下所模擬、測(cè)試獲得的θja值。

用θjc表示從芯片結(jié)面到封裝體表面的熱阻，即：θjc=由于收集表面溫度存在操作上的困難，所以JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)里面還沒(méi)有關(guān)于θjc的定義。我們按照MIL-STD-883E (METHOD 1012.1)、SEMI G30 等一系列標(biāo)準(zhǔn)的定義計(jì)算該熱阻值，主要是利用溫度控制的散熱片或是溫度控制的流體槽方式，使熱由單一方向傳遞。所以θjc僅僅與IC封裝工藝設(shè)計(jì)和封裝所用材料相關(guān)。一旦IC 封裝的材料以及工藝確定了，θjc就作為一個(gè)物理屬性不會(huì)改變。該值主要是用于評(píng)估封裝體散熱性能的優(yōu)劣。

圖1中顯示了典型的IC 封裝體Tj、Ta以及Tc的溫度取值點(diǎn)。

圖1 熱分析溫度選取典型位置

由于量測(cè)是在標(biāo)準(zhǔn)的條件下去做，對(duì)于封裝的尺寸、PCB 基板的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)的方式及擺設(shè)都有規(guī)范，一般實(shí)驗(yàn)中實(shí)際測(cè)試時(shí)使用的并非是真實(shí)的芯片而是尺寸相同的熱芯片，利用芯片中溫度感應(yīng)器的電壓及溫度關(guān)系來(lái)仿真實(shí)際芯片運(yùn)作的溫度變化。完整的數(shù)值模擬則有兩種不同的方法：FEA 有限元模擬、CFD 流體計(jì)算模擬。我們采用前一種的FEA 來(lái)仿真芯片的實(shí)際溫度變化情形。由于熱阻值和環(huán)境有關(guān)，所以我們獲得的熱阻并不是一個(gè)絕對(duì)值，在使用時(shí)需注意和實(shí)際情況的差異。但是這些熱阻數(shù)據(jù)可用于定性的比較，并且是計(jì)算板級(jí)熱阻的不可或缺的參考值。

2 建立三維實(shí)際模型

在本次工作中，我們采用LQFP144 型號(hào)的封裝產(chǎn)品進(jìn)行詳細(xì)的分析。

首先采用solidworks 軟件建立分析的detailed 3D 實(shí)際模型，并且對(duì)其中的PCB 和金線(xiàn)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化壓縮(compact model)。建模完成后最終的四分之一模型如圖2所示。在模型的計(jì)算過(guò)程中，考慮了熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流，以及輻射效應(yīng)。并且本次分析中具體考慮金線(xiàn)的影響。環(huán)境溫度為25 ℃，芯片功率為1 W，發(fā)熱率為1/(4.16 mm×4.48 mm×0.25 mm)。PCB 板采用標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)尺寸76.2 mm×114.3 mm×1.57 mm，考慮low k 和high k 兩種熱導(dǎo)基板。

圖2 LQFP144 四分之一模型

在空氣自然對(duì)流的情況下，我們采用的對(duì)流換熱系數(shù)方程參考了Fairchild internal documents，具體的公式為：

對(duì)于平板以及垂直板隨溫度變化的表面熱對(duì)流系數(shù)施加到模擬計(jì)算中去，作為一種非線(xiàn)性邊界條件。

考慮到PCB 板簡(jiǎn)化壓縮，采用下述方程進(jìn)行PCB 熱傳導(dǎo)系數(shù)的簡(jiǎn)化：

考慮到金線(xiàn)的熱導(dǎo)系數(shù)的簡(jiǎn)化，我們建模的時(shí)候建成一種梯形的板狀，然后根據(jù)金線(xiàn)實(shí)際所占的面積分配3D 各個(gè)方向的熱導(dǎo)系數(shù)。

對(duì)于LQFP144 產(chǎn)品，模擬中具體所要用到的材料物理參數(shù)如表1所示。

表1 封裝材料物理屬性

3 分析結(jié)果與討論

3.1 LQFP144 的熱阻計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)上述模型進(jìn)行模擬分析，獲得結(jié)面上所有溫度的平均值，按照以上所述公式進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果如以下列表所述（同時(shí)我們也列出了結(jié)面上以及封裝體頂部溫度的最大、最小值）。

當(dāng)按照J(rèn)EDEC 51-2 計(jì)算θja的時(shí)候，設(shè)定封裝體所處的環(huán)境溫度為25 ℃，并且一直保持不變。

當(dāng)按照MIL-STD-883E (METHOD 1012.1)計(jì)算θjc的時(shí)候，設(shè)定封裝體頂部溫度為60 ℃，并且一直保持不變。

參照J(rèn)EDEC 51-2 標(biāo)準(zhǔn), 塑封體器件置于JEDEC 1s0p (low K)測(cè)試板，環(huán)境溫度=25 ℃

功率/W 1 Tj max/℃78.54 Tj min/℃77.42 Tj，均值/℃78.15 θja/℃·W-1 53.15

此時(shí)，我們計(jì)算得到θjc

功率/W 1 Tc max/℃78.07 Tc min/℃44.94 Tj，均值/℃56.01 θjc/℃·W-1 22.14

參照J(rèn)EDEC 51-2 標(biāo)準(zhǔn), 塑封體器件置于JEDEC 2s2p (high K)測(cè)試板，環(huán)境溫度=25 ℃

功率/W 1 Tj max/℃69.002 Tj min/℃68.1 Tj，均值/℃68.57 θja/℃·W-1 43.57

此時(shí)，我們計(jì)算得到θjc

功率/W 1 Tc max/℃68.62 Tc min/℃38.06 Tj，均值/℃46.33 θjc/℃·W-1 22.24

參照MIL-STD-883E (METHOD 1012.1)標(biāo)準(zhǔn),并且塑封體器件頂部溫度(Tc)設(shè)定為60 ℃

功率/W 1 Tj max/℃74.023 Tj min/℃73.51 Tj，均值/℃74.15 θjc/℃·W-1 14.15

按照J(rèn)EDEC 標(biāo)準(zhǔn)模擬計(jì)算最后獲得的溫度場(chǎng)分布圖如圖3、4、5 所示。

圖3 參照J(rèn)EDEC 51-2 標(biāo)準(zhǔn), 塑封體器件置于JEDEC 2s2p (high K)測(cè)試板

圖4 參照J(rèn)EDEC 51-2 標(biāo)準(zhǔn), 塑封體器件置于JEDEC 2s2p (high K)測(cè)試板

3.2 IC 散熱途徑對(duì)熱阻θja 的影響

圖5 參照MIL-STD-883E (METHOD 1012.1)標(biāo)準(zhǔn)，并且塑封體器件頂部溫度(Tc)設(shè)定為60 ℃

IC 的散熱主要有兩個(gè)方向，一個(gè)是由封裝體上表面?zhèn)鞯娇諝庵校硪粋€(gè)則是由IC 向下傳到PCB 板上，再由板傳到空氣中。當(dāng)IC 以自然對(duì)流方式傳熱時(shí)，向上傳的部分很小，而向下傳到板子則占了大部分，以導(dǎo)線(xiàn)腳或是以球連接于板上的方式，其詳細(xì)的散熱模式不盡相同。以導(dǎo)線(xiàn)腳型式的封裝為例，向下傳的熱又可分成兩部分，一部分是經(jīng)由導(dǎo)線(xiàn)架及接腳傳到PCB，另一部份則是由芯片經(jīng)由模塑材料及下方空隙的空氣傳到PCB中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在自然對(duì)流時(shí)，QFP 熱傳向下方PCB的比例分別為85%。

在不考慮封裝中所用金絲的情況下，我們發(fā)現(xiàn)在同樣的計(jì)算條件下，芯片的結(jié)溫升高了大概有8 ℃左右。所以，這也進(jìn)一步印證了在引腳數(shù)目較多的情況下，鍵合線(xiàn)的傳熱份額可能高達(dá)15%。所以對(duì)于高Lead（>40 引腳）的封裝類(lèi)型，我們?cè)谀M計(jì)算時(shí)必須考慮金絲這一條導(dǎo)熱途徑。

到此為止，我們可以描述出LQFP144 中的主要的幾條導(dǎo)熱途徑：

A：芯片結(jié)點(diǎn)，鍵合線(xiàn)，框架，基板，環(huán)境

B：芯片結(jié)點(diǎn)，鋁墊，塑封體，框架，基板，環(huán)境

C：芯片結(jié)點(diǎn)，裝片膠，鋁墊，塑封體，基板，環(huán)境

但是由于LQFP144 封裝中IC 到PCB 的間距較大（0.1 mm），所以C 途徑只有很小的一個(gè)傳熱分額。最有效的傳熱途徑是A 和B，而且由于金絲和塑封料導(dǎo)熱系數(shù)的巨大差異，這兩個(gè)途徑又以A 的作用較為顯著。具體傳熱途徑的圖形描述如圖6所示。

圖6 LQFP144 的熱傳途徑

下面我們分幾個(gè)方面來(lái)討論各個(gè)因素對(duì)于熱傳的影響：

（1）采用不同熱傳導(dǎo)系數(shù)的塑封料。傳統(tǒng)的模塑復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)性約為0.6～0.7 W/（m·℃），可使用傳導(dǎo)性高的模塑復(fù)合材料使傳到框架的熱量增加，使熱阻值降低。計(jì)算中，LQFP144 分別采用熱導(dǎo)系數(shù)為0.42、0.67、1.05 W/（m·℃）的三種塑封料，可以發(fā)現(xiàn)，熱阻得到顯著降低，而且降低幅度最大為5 ℃/W。此外，如圖7當(dāng)塑封料的熱導(dǎo)系數(shù)增大到一定程度時(shí)，熱阻降低的趨勢(shì)在減小。

圖7 塑封料熱傳導(dǎo)性對(duì)熱阻之影響

但是，和不使用鍵合線(xiàn)的模型相比較，可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論塑封料的熱導(dǎo)在合理區(qū)域內(nèi)怎么變化，都無(wú)法彌補(bǔ)金絲熱傳分額，從另一方面也說(shuō)明了，對(duì)于高Lead 的封裝體，鍵合線(xiàn)是不可忽略的。

（2）采用不同熱傳導(dǎo)系數(shù)的銅框架。使用導(dǎo)熱性高的銅合金來(lái)取代鐵合金Alloy-42，將可使導(dǎo)熱性質(zhì)改善。計(jì)算LQFP144 的熱阻，分別采用熱導(dǎo)系數(shù)為170、260、301.5 W/（m·℃）的三種銅材時(shí)，如圖8可以發(fā)現(xiàn)，熱阻顯著降低，并且降低的幅度要大于塑封料帶來(lái)的熱阻改變幅度，熱阻最大降低為8 ℃/W。

圖8 銅框架材料熱傳導(dǎo)性對(duì)熱阻之影響

（3）調(diào)整載片臺(tái)尺寸、改變內(nèi)引腳與鋁墊之間的間隙。一般來(lái)說(shuō)，這是花費(fèi)最少的熱性能增強(qiáng)方式，而且只要在設(shè)計(jì)上做略微的調(diào)整，減少內(nèi)引腳與鋁墊之間的距離，可使經(jīng)前述之散熱途徑B 散去的熱量增加。通過(guò)計(jì)算，結(jié)果如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于LQFP144，變化鋁墊的寬度，從而改變其與內(nèi)引腳的距離，可使熱阻降低約8 ℃/W。

圖9 鋁墊尺寸對(duì)熱阻之影響

除此之外，還有許多其他降低熱阻的方法，譬如說(shuō)：縮短IC 到PCB 間的站高距離，將內(nèi)引腳直接熔接在鋁墊上面；封裝體加裝散熱片。

3.3 封裝體功率與所處環(huán)境溫度的關(guān)系

我們考察了芯片熱阻與IC 施加的功率之間的關(guān)系。結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)IC 功率由1 W 增加至3 W 時(shí)，熱阻θja逐漸降低，這是一個(gè)合理的結(jié)果。根據(jù)前面的熱對(duì)流方程，當(dāng)芯片的功率增加時(shí)，芯片的發(fā)熱功率也成倍增加，進(jìn)而導(dǎo)致封裝體表面溫度增加，隨之導(dǎo)致的結(jié)果是表面熱對(duì)流系數(shù)增加。如圖10所示，這樣的熱對(duì)流增加時(shí)，會(huì)同時(shí)降低封裝體整體的溫度，降低熱阻。

圖10 IC 功率對(duì)熱阻之影響

根據(jù)集成電路的民用級(jí)以及工業(yè)級(jí)工作溫度的標(biāo)準(zhǔn)，我們改變環(huán)境溫度，考察封裝體在不同環(huán)境溫度下所能夠達(dá)到的最大功率。我們?cè)O(shè)置的溫度范圍為20～90 ℃。當(dāng)然我們這樣進(jìn)行分析有一個(gè)前提，就是在芯片的結(jié)面達(dá)到一定溫度時(shí)會(huì)失效。

根據(jù)TI 的官方網(wǎng)站上公布的標(biāo)準(zhǔn)（表2），芯片的結(jié)溫與芯片的失效概率（10 萬(wàn)小時(shí)工作條件）?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)結(jié)溫高達(dá)120 ℃時(shí)，芯片的失效概率達(dá)到了11%，所以可以確定芯片結(jié)溫的有效范圍在125 ℃以?xún)?nèi)，這樣才能夠保證芯片的安全工作。

表2 結(jié)溫與芯片失效概率的關(guān)系

圖11 不同Tjmax 條件下，封裝體最大功率與環(huán)境溫度的關(guān)系

所以我們分別取最大結(jié)溫為100 ℃、110 ℃和120 ℃來(lái)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖11所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)芯片的最大結(jié)溫升高時(shí)，芯片的封裝體可工作的環(huán)境條件逐步放寬了，環(huán)境溫度的范圍變大了，并且在同樣的環(huán)境溫度下，封裝體的最大工作功率隨最大結(jié)溫的增大而增大。在室溫25 ℃的條件下，封裝體的最大功率可高達(dá)2.24 W。而在環(huán)境溫度高達(dá)90 ℃的條件下，封裝體的最小功率為0.24 W。

4 結(jié)束語(yǔ)

在熱分析時(shí)，器件的最高結(jié)點(diǎn)溫度和器件最大耗散功率常常用來(lái)作為封裝熱設(shè)計(jì)的原則。在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)很難直接測(cè)量得到最高溫度和功率值，而且測(cè)量成本高。通過(guò)模擬，我們能很容易地得到在改變一定的邊界條件后，各種實(shí)際應(yīng)用中結(jié)點(diǎn)溫度和最大功率的預(yù)測(cè)值，并可進(jìn)行各種參數(shù)化的設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

本次分析計(jì)算獲得了LQFP144 的熱阻值（θja、θjc），并且詳細(xì)介紹各種散熱途徑對(duì)熱阻結(jié)果的影響，以及不同環(huán)境溫度下封裝體可以達(dá)到的最大工作功率。要改善IC 本身的散熱以及降低封裝的熱阻值，必須針對(duì)不同的封裝形式來(lái)設(shè)計(jì)最符合成本及功能的散熱方式，從封裝所用材料以及工藝兩方面進(jìn)行改善。

本次分析所獲得的結(jié)果是通過(guò)模型計(jì)算所獲得的模擬值，具有參考價(jià)值。但是最好是能夠通過(guò)對(duì)芯片結(jié)溫以及熱阻的實(shí)際測(cè)試獲得一個(gè)準(zhǔn)確的結(jié)果，同時(shí)對(duì)封裝模型進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步增加計(jì)算結(jié)果的可靠度。

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