熱傳仿真在IC封裝設計中的應用

高國華，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中最常用也是重要的評量參考是熱阻（從電路原理中衍化而來），涉及到電子產品具體使用時的熱可靠性。具體到IC 封裝而言，最重要的參數是：按照一個公認的測試標準，獲得的由芯片結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為結溫，Tx為熱傳到某點位置的溫度，P 為輸入的芯片發熱功率。

用θja表示在自然對流或強制對流條件下從芯片結面到環境中某一定點的熱阻，即：θja=我們按照JEDEC51-2 標準計算該熱阻值。θja與下述因素相關：IC 封裝工藝、封裝所用材料、貼裝PCB 板、熱輻射、空氣流動情況、系統環境等等。一般情況下，封裝廠商列出的僅是自然對流條件下所模擬、測試獲得的θja值。

用θjc表示從芯片結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 標準里面還沒有關于θjc的定義。我們按照MIL-STD-883E (METHOD 1012.1)、SEMI G30 等一系列標準的定義計算該熱阻值，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封裝工藝設計和封裝所用材料相關。一旦IC 封裝的材料以及工藝確定了，θjc就作為一個物理屬性不會改變。該值主要是用于評估封裝體散熱性能的優劣。

圖1中顯示了典型的IC 封裝體Tj、Ta以及Tc的溫度取值點。

圖1 熱分析溫度選取典型位置

由于量測是在標準的條件下去做，對于封裝的尺寸、PCB 基板的設計、實驗的方式及擺設都有規范，一般實驗中實際測試時使用的并非是真實的芯片而是尺寸相同的熱芯片，利用芯片中溫度感應器的電壓及溫度關系來仿真實際芯片運作的溫度變化。完整的數值模擬則有兩種不同的方法：FEA 有限元模擬、CFD 流體計算模擬。我們采用前一種的FEA 來仿真芯片的實際溫度變化情形。由于熱阻值和環境有關，所以我們獲得的熱阻并不是一個絕對值，在使用時需注意和實際情況的差異。但是這些熱阻數據可用于定性的比較，并且是計算板級熱阻的不可或缺的參考值。

2 建立三維實際模型

在本次工作中，我們采用LQFP144 型號的封裝產品進行詳細的分析。

首先采用solidworks 軟件建立分析的detailed 3D 實際模型，并且對其中的PCB 和金線模型進行簡化壓縮(compact model)。建模完成后最終的四分之一模型如圖2所示。在模型的計算過程中，考慮了熱傳導、熱對流，以及輻射效應。并且本次分析中具體考慮金線的影響。環境溫度為25 ℃，芯片功率為1 W，發熱率為1/(4.16 mm×4.48 mm×0.25 mm)。PCB 板采用標準的試驗尺寸76.2 mm×114.3 mm×1.57 mm，考慮low k 和high k 兩種熱導基板。

圖2 LQFP144 四分之一模型

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

對于平板以及垂直板隨溫度變化的表面熱對流系數施加到模擬計算中去，作為一種非線性邊界條件。

考慮到PCB 板簡化壓縮，采用下述方程進行PCB 熱傳導系數的簡化：

考慮到金線的熱導系數的簡化，我們建模的時候建成一種梯形的板狀，然后根據金線實際所占的面積分配3D 各個方向的熱導系數。

對于LQFP144 產品，模擬中具體所要用到的材料物理參數如表1所示。

表1 封裝材料物理屬性

3 分析結果與討論

3.1 LQFP144 的熱阻計算結果

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

當按照JEDEC 51-2 計算θja的時候，設定封裝體所處的環境溫度為25 ℃，并且一直保持不變。

當按照MIL-STD-883E (METHOD 1012.1)計算θjc的時候，設定封裝體頂部溫度為60 ℃，并且一直保持不變。

參照JEDEC 51-2 標準, 塑封體器件置于JEDEC 1s0p (low K)測試板，環境溫度=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，我們計算得到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JEDEC 51-2 標準, 塑封體器件置于JEDEC 2s2p (high K)測試板，環境溫度=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，我們計算得到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)標準,并且塑封體器件頂部溫度(Tc)設定為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JEDEC 標準模擬計算最后獲得的溫度場分布圖如圖3、4、5 所示。

圖3 參照JEDEC 51-2 標準, 塑封體器件置于JEDEC 2s2p (high K)測試板

圖4 參照JEDEC 51-2 標準, 塑封體器件置于JEDEC 2s2p (high K)測試板

3.2 IC 散熱途徑對熱阻θja 的影響

圖5 參照MIL-STD-883E (METHOD 1012.1)標準，并且塑封體器件頂部溫度(Tc)設定為60 ℃

IC 的散熱主要有兩個方向，一個是由封裝體上表面傳到空氣中，另一個則是由IC 向下傳到PCB 板上，再由板傳到空氣中。當IC 以自然對流方式傳熱時，向上傳的部分很小，而向下傳到板子則占了大部分，以導線腳或是以球連接于板上的方式，其詳細的散熱模式不盡相同。以導線腳型式的封裝為例，向下傳的熱又可分成兩部分，一部分是經由導線架及接腳傳到PCB，另一部份則是由芯片經由模塑材料及下方空隙的空氣傳到PCB中。據統計，在自然對流時，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，我們發現在同樣的計算條件下，芯片的結溫升高了大概有8 ℃左右。所以，這也進一步印證了在引腳數目較多的情況下，鍵合線的傳熱份額可能高達15%。所以對于高Lead（>40 引腳）的封裝類型，我們在模擬計算時必須考慮金絲這一條導熱途徑。

到此為止，我們可以描述出LQFP144 中的主要的幾條導熱途徑：

A：芯片結點，鍵合線，框架，基板，環境

B：芯片結點，鋁墊，塑封體，框架，基板，環境

C：芯片結點，裝片膠，鋁墊，塑封體，基板，環境

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熱系數的巨大差異，這兩個途徑又以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

下面我們分幾個方面來討論各個因素對于熱傳的影響：

（1）采用不同熱傳導系數的塑封料。傳統的模塑復合材料的熱傳導性約為0.6～0.7 W/（m·℃），可使用傳導性高的模塑復合材料使傳到框架的熱量增加，使熱阻值降低。計算中，LQFP144 分別采用熱導系數為0.42、0.67、1.05 W/（m·℃）的三種塑封料，可以發現，熱阻得到顯著降低，而且降低幅度最大為5 ℃/W。此外，如圖7當塑封料的熱導系數增大到一定程度時，熱阻降低的趨勢在減小。

圖7 塑封料熱傳導性對熱阻之影響

但是，和不使用鍵合線的模型相比較，可以發現，無論塑封料的熱導在合理區域內怎么變化，都無法彌補金絲熱傳分額，從另一方面也說明了，對于高Lead 的封裝體，鍵合線是不可忽略的。

（2）采用不同熱傳導系數的銅框架。使用導熱性高的銅合金來取代鐵合金Alloy-42，將可使導熱性質改善。計算LQFP144 的熱阻，分別采用熱導系數為170、260、301.5 W/（m·℃）的三種銅材時，如圖8可以發現，熱阻顯著降低，并且降低的幅度要大于塑封料帶來的熱阻改變幅度，熱阻最大降低為8 ℃/W。

圖8 銅框架材料熱傳導性對熱阻之影響

（3）調整載片臺尺寸、改變內引腳與鋁墊之間的間隙。一般來說，這是花費最少的熱性能增強方式，而且只要在設計上做略微的調整，減少內引腳與鋁墊之間的距離，可使經前述之散熱途徑B 散去的熱量增加。通過計算，結果如圖9所示，可以發現，對于LQFP144，變化鋁墊的寬度，從而改變其與內引腳的距離，可使熱阻降低約8 ℃/W。

圖9 鋁墊尺寸對熱阻之影響

除此之外，還有許多其他降低熱阻的方法，譬如說：縮短IC 到PCB 間的站高距離，將內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境溫度的關系

我們考察了芯片熱阻與IC 施加的功率之間的關系。結果可以發現，當IC 功率由1 W 增加至3 W 時，熱阻θja逐漸降低，這是一個合理的結果。根據前面的熱對流方程，當芯片的功率增加時，芯片的發熱功率也成倍增加，進而導致封裝體表面溫度增加，隨之導致的結果是表面熱對流系數增加。如圖10所示，這樣的熱對流增加時，會同時降低封裝體整體的溫度，降低熱阻。

圖10 IC 功率對熱阻之影響

根據集成電路的民用級以及工業級工作溫度的標準，我們改變環境溫度，考察封裝體在不同環境溫度下所能夠達到的最大功率。我們設置的溫度范圍為20～90 ℃。當然我們這樣進行分析有一個前提，就是在芯片的結面達到一定溫度時會失效。

根據TI 的官方網站上公布的標準（表2），芯片的結溫與芯片的失效概率（10 萬小時工作條件）?？梢园l現，當結溫高達120 ℃時，芯片的失效概率達到了11%，所以可以確定芯片結溫的有效范圍在125 ℃以內，這樣才能夠保證芯片的安全工作。

表2 結溫與芯片失效概率的關系

圖11 不同Tjmax 條件下，封裝體最大功率與環境溫度的關系

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

4 結束語

在熱分析時，器件的最高結點溫度和器件最大耗散功率常常用來作為封裝熱設計的原則。在實際應用中，有時很難直接測量得到最高溫度和功率值，而且測量成本高。通過模擬，我們能很容易地得到在改變一定的邊界條件后，各種實際應用中結點溫度和最大功率的預測值，并可進行各種參數化的設計及優化。

本次分析計算獲得了LQFP144 的熱阻值（θja、θjc），并且詳細介紹各種散熱途徑對熱阻結果的影響，以及不同環境溫度下封裝體可以達到的最大工作功率。要改善IC 本身的散熱以及降低封裝的熱阻值，必須針對不同的封裝形式來設計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行改善。

本次分析所獲得的結果是通過模型計算所獲得的模擬值，具有參考價值。但是最好是能夠通過對芯片結溫以及熱阻的實際測試獲得一個準確的結果，同時對封裝模型進行改進，進一步增加計算結果的可靠度。

[1]Integrated Circuits Thermal Test Method Environment Conditions-Natural Convection(Still Air)[S].EIA/JEDEC standard.JESD51-2.

[2]Jim Benson，Thermal Characterization of Packaged Semiconductor Devices [M].Intersil，2002，5-12.

[3]Harvey I.Rosten，Clemens J.M.Lasance，Jhon D.Parry，The World of Thermal Characterization According to DELPHI[C].IEEE Trans-CPMT-A，Vol.20，No.4，1997.384-391.

[4]Zhongfa Yuan，Yong Liu，Scott Irving，Timwah Luk，Jiangyuan Zhang，Thermal Numerical Simulation and Correlationfora Power Package[C].ICEPT proceedings，2007.

[5]Krishnamoorthi S.，Desmond Y.R.Chong，Anthony Y.S.Sun，Thermal Management and Characterization of Flip Chip BGA Packages[C].Electronics Packaging Technology Conference，2004.53-59.

[6]Jingsong Li，Finite Element Methods [M].Beijing Post and Telecommunication University Publishing Company，1999.