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多芯片组件的热三维有限元模拟与分析 |
多芯片组件（MCM） 是将多个半导体集成电路元件以裸芯片的状态搭载在不同类型的布线板上，并实现整体封装的一种封装技术。与单芯片封装相比。MCM可提高单位体积内电路的集成度，有利于电子整机向高速化、多功能化和小型化方向发展，随着MCM 集成度的提高和体积的缩小，尤其是对于集成了大功率芯片的MCM，其内部具有多个热源，热源之间的热糯合作用较强，单位体积内的功耗很大，由此带来的芯片热失效和热退化现象突出。有资料表明，器件的工作温度每升高10℃，其失效率增加l倍。因此，准确模拟大功率MCM 模块的三维温场分布，并分析掌握其热特性，有利于指导MCM 热设计方案的选择，对提高大功率MCM 的可靠性具有重要意义。 笔者以ATMEL公司生产的MCM的内部结构、尺寸和材料为基础，对该MCM在典型工作模式和自然对流的环境下的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。 1 计算模型 1.1 MCM 实际结构 图1描述了ATMEL 公司生产的某型号MCM 的内部结构。该MCM 内部有三个芯片以倒装焊方式置于Al203 基板上（芯片和基板之间有层厚度为0.29mm 的粘结剂），其中左边的一块是CPU，它的尺寸为8.5mm x 7.62mm x O.65mm。右边为两块大小相等的存储器，它们的尺寸为9.5mm x 6.82mm x 6.5mm。基板的尺寸为25mm x 21mm x 2.2mm，其背面通过阵列排列的255个焊球与PCB相连，焊球直径为0.8 mm,焊球中心距离为1.27mm。PCB 的尺寸为90mm x 50mm x 1.5mm。  1.2 有限元模型 为了便于计算分析，先对模型作如下简化和假设: （1） MCM工作时其内部功率器件处于热平衡状态，且其结温分布是稳定的。 根据图1描述的结构用ANSYS建立模型，然后对模型划分网格。笔者用ANSYS 提供的网格划分控制工具“Mesh Tool”来进行网格划分，其中网格单元选用SOLID70，用“Smart Size”来控制网格尺寸。网格划分的优劣通过“Smart Size”里面的size level来控制，当sizelevel 为1时，网格划分得最精细，而size level 为10时，网格划分得最粗糙。考虑到PCB 结构比较简单而且热流密度比较小，它的size level 选择8 ，而封装体结构比较复杂并且热流密度比较大，它的size level 选择6。网格划分后的有限元模型内部如固2 所示。封装体有限元模型由209803 个单元和45222 个节点组成，PCB 有限元模型由235284 个单元和51317 个节点组成。模型中采用的材料及其热导率如表1所示。  图2 MCM内部结构有限元模型  1.3 模型边界条件 模型的热边界条件如下:热源为芯片工作时的发热，其中CPU 的发热功率为2.6W，两个存储器的发热功率分别为l5mW；模型内部各材料之间通过传导方式进行传热，服从傅立叶传热定律:模型外表面通过与空气的对流和辐射进行散热，对流传热服从牛顿冷却定律，热辐射服从斯蒂芬-玻尔兹曼定律。外部环境温度为16℃，在空气自然对流情况下，取对流传热系数为25W/（m2·K）。PCB 的黑度为0.9，包封表面的黑度为0.8。 2 模拟结果与分析 经过ANSYS的模拟，模型的整体温度分布如图3所示。从图中可以看出，模型的温度最高点位于CPU的位置，其大小为60.249。℃。MCM 表面温度以CPU为中心向外逐步递减，温度轮廓线呈圆弧状，MCM温度最低点位于存储器一侧的两个拐角处。MCM 发热对PCB 的温度影响范围很小，在影响范围内PCB的温度以MCM 的位置为中心，温度以圆弧状向外逐步降低。通过红外热像仪测得该MCM 在典型工作模式下的最高温度为62.67℃，由公式1 可以算出误差为5.19 %，误差值比较小，说明笔者的模型和有限元分析方法能够比较精确地反映MCM 的温度分布，可以用于温度分析。  图5和图6分别是焊球和基板的温度分布图。从圈中可以看出，焊球和基板的温度分布基本相同，这是因为焊球和基板是相连的，芯片发出的热量通过基板传导给焊球。基板和空气接触的面积比较小，通过对流和辐射散热很小，大部分热量都通过传导传给焊球。  以以上模拟分析结果为基础，分别计算在没有热沉的情况下PCB、包封和基板的散热功率，结果可以看出: PCB 的散热（包括对流散热和辐射散热）对散热贡献最大，它的散热占整个散热的50.76 %；其次是包封的散热（包括对流散热和辐射散热），它的散热占整个散热的29.8 %；然后是基板散热（包括对流散热和辐射散热），它的散热占整个散热的17.92%。 3 分析材料导热系数对MCM内部温度的影晌 由上面的各部分散热分布分析结果可知，模型的绝大部分热量都是从PCB、包封和基板这三个部分传出去的。其中包封散发掉的热量是由芯片产生，通过包封传导到包封表面，再以对流和辐射方式传到周围空气中；PCB 散发掉的热量是由芯片产生，通过基板和焊球传导到PCB 上，再从PCB 表面以对流和辐射方式传到周围空气中。所以在流传热系数和黑度都为常数的情况下，包封和基极的导热性能对模型的散热有影响。 以上面的模型和有限元分析方法为基础，通过分别改变包封和基板的导热系数来研究包封和基板的导热系数对MCM内部温度的影响。图7是基板导热系数从0.5增加到125，而其它参数都不变的情况下，MCM内部最高温度的变化曲线。从图7可以看出，基板导热系数从0.5增加到20时MCM内最高温度降低非常明显，而从20增加到125时温度降低趋向平稳。图8是包封导热系数从0.1增加到25，而其它参数都不变的情况下，MCM内部最高温度的变化曲线。从阁中可以看出，当包封导热系数增加时。MCM 内部的最高温度总体呈下降趋势，但导热系数从0.1增加到0.8时，温度呈现上升趋势。模型各部分散热比例分析和各部分导热系数对MCM 内部温度影响的分析结果基本一致，分析其原因可得: PCB和包封的散热占整个散热的比重非常大，增大基板的热导率使芯片发出的热量更容易传到PCB上，而增大包封的热导率有利于把芯片发出的热量传递到封装表面，通过对流和辐射散发掉。 4 结论 以ATMEL生产的MCM为研究对象，采用有限元方法对其温度分布进行了模拟和分析，结果表明: （1）所建立的模型和有限元分析方法能够比较精确的模拟MCM 的温度场分布，为MCM的热模拟提供了一种有效的方法。 （2）模型各部分散热比例分析结果表明，在没有热沉的情况下。PCB 的散热对散热贡献最大，其次是包封的散热。 （3）各部分导热系数对MCM内部温度影响分析结果表明，增大包封和基板的导热系数能够有效地提高MCM的散热效果，降低MCM内部温度 |