一般建模条件下，详细热封装模型的暂态性能

 

摘要

使封装芯片的热传导模型包含所有的几何信息是不能实际运用在产品生产流程中的。设计详细的热模型需用大量的对稳态分析有效的几何学简化。本文是要验证暂态情况下这些简化条件的性能，他们在这一范围内应该可以被忽略。验证显示在这些假设条件下建模可以得到正确的暂态模型。

我们在不同限定条件下的软件工具中通过对比用与不用这些假设条件建模的方法，来对它们在实际封装模型中的影响进行检测，结果仍然表明使用这些假设前提可以得到正确的暂态模型。这些结果对于承担板级和系统级暂态分析任务的系统设计师以及创建暂态热压缩模型的设计师们都是非常重要的。

简介

建立包含所有传导信息和BGA封装基片所有单个迹线的热传导封装模型的想法无论是否可行，对于板级和系统级的设计来说，它是不实际的，而且无法用于模型设计的计算中。具体的热模型设计中，一般都包括了大量的简化，这些简化可大大的减少模型的几何复杂度，同时不会影响设计结果的质量。这些假设多年来被广泛应用于稳态分析中。

本文主要通过FLOTHERM工具用有限体积（FV）计算流体力学(CFD)的方法对这些简化条件在暂态情况下的性能作基本验证。也通过ANSYS和MARC两种不同的有限元(FE)计算流体力学（CFD）工具，对两组详细的封装模型进行了检测，对比它们在用与不用假设条件建模后的性能。

基本验证

1.       压扁的晶片粘附层表述方式

1．1 具体模型

将晶片的粘附层用二维和三维两种方式描述，对比它们产生的不同效果，在二维表示中，晶片粘附层被视为一扁平面，它的热效应是可以忽略的。具体的几何示图如下，以三维方式描绘粘附层：

Fig. 1: Extent of Model Showing Uncollapsed Die Attach Die Heat Sink Die Attach

这一模型是由一个尺寸为40mm*40mm*1.5mm的铜制散热片和一个置于其上的尺寸为10mm*10mm*0.25mm的晶体硅组成。晶片环氧粘附层厚度为0.02mm。在压扁的情况下，晶片的厚度包括了粘附层的厚度，即增加了0.02mm。在实际的封装模型中，这样处理可以保持模型内部晶片的上表面的位置不变，从而使模型内晶片上方的材料的厚度也保持不变，因而对组件的热阻尼的影响就会很小。一般来说，所有的材料都有热方面的性能。

用功率为2W的平面热源均匀地作用在晶体硅的上表面，将热传导系数分别为1*10⑶W/m⑵K;1*10⑷W/m⑵K和1*10⑸W/m⑵K的材料用于铜制底座的下表面，以表示封装模型底部的散热情况。周围温度为零摄氏度。根据对称性，可用模型的1/4来进行检测。研究稳态坐标系的改进方案来建立分立的网格结构，选择一组47*47*40的网格作暂态分析。下图中，横坐标上的点表示时间。时间步进集中设置在有错误的地方

1.2 检测结果

下面的两张图表分别是中心热源对最大和最小导热系数的瞬时反映曲线。对比压扁的和非压扁的晶片粘附层。蓝色曲线表示非压扁；红色曲线表示压扁。

1.3 结果分析

上面的结果显示两种模型（压扁粘附层和非压扁粘附层）的热效应几乎相同，只是压扁粘附层的模型由于晶片的热阻尼较高而显示略高的温度。在晶片厚度远大于粘附层厚度的情况下，这种近似是可以的。

2 平衡引线架描述

2．1 具体模型

为了检验引线架区域采用集成近似所带来的影响，我们将一个详细的包有塑料外壳的引线架结构的三维描述与一个热平衡层的三维描述进行比较。根据平面对称性，对半个引线架构以及与之相连的半个塑料外壳进行单位逼近，再依据引线架外壳的上下对称性，取上半部分建模。具体的几何学及对称条件的应用如下图所示：

如图3a，在导线架模型两端有两个导热性很强的立方体，我们在一端施加热源，在另一端施以固定的热传导系数。除去这些，模型总长10mm。模型宽高分别为0.2mm和1mm。引线架覆盖系数,α,为0.5。材料性能计算公式如下：

 

引线周围散热片的热传递系数分别为1*10⑷W/m⑵K；1*10⑸W/m⑵K和1*10⑹W/m⑵K。外壳上部的热传递系数为20 W/m⑵K，施加0.025W的热源，进入暂态。周围环境温度为0摄氏度。进行坐标系改进分析。用完全相同的坐标系研究详细模型和简化模型。绘制好的坐标系的长宽高分别为128*10*22。下图显示的坐标系的时间步进被完全覆盖到了。

2.2 检测结果

下图分别显示了在最大和最小热传递系数下，热源的瞬时响应。

2.3 结果分析

结果显示两种模型的热效应几乎完全相同。这种近似也是可以的。

封装模型研究

对两组封装模型的研究。一种是352-BGA，另一种是80-PQFP。两组封装模型都是PROFIT型，即温度变化对电子产品性能的影响的预测。将两组模型置于双面冷却台（DCP）上，并用垫片隔开。或许读者对DCP方法并不熟悉，它可使热量从封装模型表面以不同路径向外传递。如下表所示：

 

表1：DCP热流路径框图

	优选热流路径
DCP-1	封装模型上下表面
DCP-2	封装模型下表面
DCP-3	封装模型上表面
DCP-4	封装模型内部连接处（引线/焊球）

3         HBGA352 的DCP-1 型

3.1 具体模型

一个裸露的铜制热嵌片，通过强热导线连于晶片PBGA的下部，模型的几何构型如图5.a。这一封装模型的组成是：一个尺寸为15.12mm* 15.12mm * 0.38mm的晶体硅通过厚85µm的胶层粘连在一个35mm* 35mm * 0.381mm的铜固定板上。晶片边沿处的粘胶是用来粘贴BGA材料和基片的。晶片与部分BGA基片通过环氧树脂高度粘连。封装模型末端是靠4排间距为1.27mm的Sn63/Pb37型焊球与其它部位连接。

使用上一节给出的公式计算出施用在BGA基片的PCB内外部的物质属性，在这两部分中，铜所占的比例分别为0.19和0.1。硅的热传导性能依温度的不同而变化。未封闭表面的对流和辐射作用在建模中忽略不计。

由于使用大功率，冷却台的温度由初态的25摄氏度瞬间上升。但是，由于我们在实验中不对冷却台的热效应进行测量，因此建模过程将不会包括这一信息。

进行详细的坐标系改进方案的研究。对详细模型和简化模型使用完全相同的坐标系。最终建立的坐标系是62*62的模型平面坐标和包含40个单位元素穿过基架和整个模型的纵向坐标，这些纵向元素主要集中在模型内部。时间坐标仍由图表下部的点来表示，所有的时间步进都集中设置在存在机械错误的位置上。

 

3.2  检测结果

以5000W/m⑵K的热传递系数来表示基架与冷却台接触面的传热性能。封装模型的总功率为55.85W。上层冷却台温度为29摄氏度，下层冷却台温度为26.3摄氏度，这是实验结束后的测量值。这些边界条件与Philips所用的边界条件完全相同。

我们将结果用名词热阻尼,Zth,来表示，它定义如下：

在这一公式中，TJ表示晶片中心热源的温度，TCP表示冷却台的温度，P是模型总功率。

3.3 结果分析

两种应用软件的显示结果非常一致，这正是我们期望的，因为在将所有物体构建为传导立方体时，这两种工具的几何模型非常相似。在FE工具中，焊球是在45摄氏度时加在模型的轴上。

从实验结果来看，0.5秒附近是一个重要的起始点，从这点起边界条件开始影响实验结果。由于模型中物质属性方面的数据不准确，0.01秒之后实验结果就与数值计算的结果产生了偏差。

4         P-MQFP-80-1 模型在DCP-1至DCP-4的情况

4．1 具体模型

几何模型如下图7a所示

由于模型空间有限，不能包括分析时用到的所有几何信息和物质属性信息。然而主要部分都有了：一个14mmx 14mm x 2.25mm的封装体，内有一个7.56mmx 7.56mm x 0.38mm的晶体硅，晶体硅上面是一个8mmx 8mm x 0.15mm的铜合金冲模垫，涂有一层厚20µm的模片粘附剂。模片粘附层很“薄”，对热性能影响不大，可视为一个平面盘，因此计算时不会考虑它的热因素。引线架的金属覆盖率为66%。封装模型每个面上的引线都焊在一个厚0.5mm长宽为25mmx 10mm的铜带上。引线架部分和外部引线采用经过平衡后的材料属性。硅的热传导性依温度而变化。在FE模型中，硅的热容量也依温度改变。这一特性在FV软件中是不适用的。因为Infineon发现外表面的对流和辐射作用对实验结果的影响极小，所以它们在建模中可被忽略。

模片粘附层是压扁的，它的厚度使模片的厚度由0.38加厚为0.382。用DCP-2和DCP-3进行分析，非压扁的模片粘附层会相对地通过模型顶部和底部吸取热量。

执行稳态坐标改进方案，为检测结果建立独立的网格，用于暂态分析的网格在模型平面方向含111 x 117个单元，在由基架纵穿模型的方向上有51个单元，坐标单元全都集中在模型内部。我们再次将时间点标记在图表下方，所有的时间步进集中设在机械错误范围。

还可估计引线架插入冲模垫缝隙时不同表示方法对建模结果的影响。下面的图表是封装模型及其周围铜带的平面图。如图所示，冲模垫的一角通过连接杆与封装体的一角相连。我们用两个棱柱实现这种精确的空隙构形。

4.2 实验结果

用于每个DCP结构的模型总功率值如下表所示：

表2 ：用于FV分析的功率

DCP 结构	模型总功率
DCP-1	6.3
DCP-2	3.7
DCP-3	3.9
DCP-4	1.8

初始条件的温度统一为25摄氏度。用热阻尼来表示实验结果，因而功率的变化基本不会产生影响。Infineon在用FE为所有DCP构型建模时所用功率均为5瓦。在由DCP-1至DCP-3的建模中，以热传递系数10000W/m(2)K来表示底座与冷却台接触面的热传递性能，并假定冷却台温度为25摄氏度。在DCP-1和DCP-3中，底座的油膜厚度为5µm ；DCP-2中底座的油膜厚度为20µm。

在DCP-4中，铜片底部的热传递系数为10000W/m(2)K，它表示铜片底部与下层冷却台接触面的热传递性能。这一结构中，我们将油膜的影响结合在铜片下部的热传递系数中，不作单独考虑。一层厚为10µm的油膜相当于热传递系数14000 W/m(2)K。

4.3  结果分析

图10和11的显示结果表明晶片粘附层厚度和引线架缝隙对模型几乎没有影响，它与我们所作的基本分析的结果是一致的。图9d显示，DCP-4中两条曲线的吻合性很好，引线的热量基本被去除。图9a至9c对DCP-1至DCP-3的描绘显示吻合性比较不好。由于基础研究认为出现这种情况不是在FV模型中使用假设条件建模造成的,因此这种差异很可能是两种模型其他方面的不同所至。最显著的不同是它们的连接杆的几何表示不同。在FE模型中它有正确的表述，即由冲膜垫一角引出斜向插入引线架齿合面。而在FV模型中，连接杆只是简单的从冲膜垫一角伸出与引线架相连，如图7b所示，而不是斜向连接。然而，对比FV模型中详尽的连接杆描述，我们将此作为一种矛盾因素，有待进一步的研究。但是，有一点应该很清楚那就是两种模型（FV和FE）的差异要小于不同物理部件的差别。

总结

在为芯片建立详尽的热封装模型时，通常用于稳态的假设条件，如今在暂态领域里也得到了很好的应用。这一结论对承担板级和系统级暂态设计的工程师来说是非常重要的，同时对创建暂态热压缩模型的工程师也是十分重要的。