电子封装结构热分析与冷却设计
CSP结构的热场分析
第 １卷 ９
第 １ 期 ２
牡 丹 江大学 学报
Ｊ ｕ ｎ １ ｏ Ｍ ｄ ｎ ｉｎ Ｕ ｉｏ＇ｉｙ ｏ ｒ ａ ｆ ｕ ａ ｊａ ｇ ｎ ｖ ｉ ｔ ｓ
Ｖｏ１ ９Ｎｏ ２ ．１ ．１ Ｄ ． ２０ ０ ｅｃ １
２１ ７ （０ Ｏ ２０２ －５ ０ ８８ １ ２ １ ）１・ １４０
有 以下几个特点ｕ ， ： （ ） １ 体积极小 。Ｃ Ｐ是 目前体积最小的封装 ，引脚数相同的 Ｌ Ｉ Ｓ Ｓ Ｓ ，Ｃ Ｐ的面积不 到 ０ ｍ ． ｍ引脚间距 Ｑ Ｐ的十分 ５ Ｆ 之一 ，只有 Ｂ Ａ的三分之一 到十分之一。 Ｇ
（ 相 同尺寸 的 Ｌ Ｉ Ｓ ２） Ｓ ，Ｃ Ｐ的引脚最 多，Ｑ Ｐ的引脚最 多 ３４根 ，若增加引脚数 ，只能减小 引脚 问距 ，Ｂ Ａ的 Ｆ ０ Ｇ 引脚数 以 ６ ０ －０ ０ －７ ０为宜 ，再多制作和安装难度增 大。 （ Ｃ Ｐ具有 优 良的电性能。由于 Ｃ Ｐ内部的布线长度 比 Ｑ Ｐ和 Ｂ Ａ短得多 ，放寄生效应弱 ，信号传输时间 ３） Ｓ Ｓ Ｆ Ｇ
度 方 向上 的 近 似 引起 温度 场 计 算 的误 差 。 关键 词 ：封 装 ；热 建 模 ；Ｃ Ｐ结 构 Ｓ
中图分类号 ：Ｔ ３９ 文献标识码 ：Ａ Ｐ１
一
、
概 述
要实现高密度的封装 ，几十年来主宰电子封装技术发展 的芯片小 、封装大这一芯片与封装 的矛盾显得尤为突出。
到了 ２ Ｏ世纪 ８ ０年 代后期 由于颓技术的发展 ，可 以将多个芯片不加封装 ，直接装 载在同一基板上并 封装 于同一壳体 内 ，由于这种封装减少 了芯 片间的引线长度 ，故可 以明显改善信号延迟 问题 ，降低 了高频损耗 ，而且还可 以统一密 封 、集中冷却 ，有利于降低器件 温度 ，提高可靠性 ，因此它是实现高密度 、微型化较理想 的封装技术。但是 ＭＣ Ｍ成 功 的基础是必须具有质量确实可靠 的裸芯片 ，而对各种形状 、大小 以及端子数不 同、功能不同的裸芯片进行实验 以 及老化筛选是及其困难的 ，最终导致 ＭＣ Ｍ成品率低 、制造成本高 ，至今 尚未在商品化方 面有大 的突破。在这样的背 景下 ， 日本于 ２ ０世纪 ９ ｏ年代初研究开发一种接近芯片尺寸 的超小型封装 ，这种封 装被 称为 Ｃ Ｐ Ｓ Ｓ ，Ｃ Ｐ是在 Ｂ Ａ基 Ｇ 础上发展起来的极接近 Ｌ Ｉ Ｓ 芯片尺寸 的新型封装产 品 ， 它彻底解决 了芯片与封装 之间的矛盾。 这种封装结构 的产品具
热分析的基本参数与概念
R E P O R TProject name Project number Author Release DepartmentFile nameCreation date<keywords>Executive SummaryR E P O R TTable of Contents1Introduction .............................................................................................................. 3 1.1 基本参数介绍 . (3)2Activities ................................................................................................................... 4 2.1Theta-ja (θja) Junction-to-Ambient (4)2.1.1 测量方法 .................................................................................................... 4 2.1.2 节温计算公式 (6)2.2Theta-jc (θjc) Junction-to-Case (6)2.2.1 测量方法 .................................................................................................... 6 2.2.2 节温计算公式 ............................................................................................. 6 2.2.3 θjc 与θja 的关系 .. (7)2.3Theta-jb (θjb) Junction-to-Board (7)2.3.1 测量方法 .................................................................................................... 8 2.3.2 节温计算公式 ............................................................................................. 8 2.3.3 θjc 与θja 的关系 .. (8)2.4Ψ的含义 (9)2.4.1 Ψjb ............................................................................................................. 9 2.4.2 Ψjc . (9)2.5各种封装的散热效果 (9)2.5.1 TI PowerPAD 封装的使用注意事项 (10)3Results ................................................................................................................... 12 3.1关于θja θjc ΨJB , ΨJT 使用问题 (12)4 Discussion .............................................................................................................. 12 4.1热仿真软件的使用 (12)5 Conclusions ........................................................................................................... 12 5.1 ............................................................................................................................. 12 6 Abbreviations, Definitiones, Glossary ..................................................................... 13 6.1 ............................................................................................................................. 13 7 Version . (13)R E P O R TContents1 Introduction 1.1 基本参数介绍一般包括三个参数θja , θjc , θjb ，三种参数所指的散热图示如下。
三维堆叠封装硅通孔热机械可靠性分析
三维堆叠封装硅通孔热机械可靠性分析
近年来,微电子行业快速发展,对于电子产品的封装要求也越来越高,就促使封装行业的关键技术获得进一步改进,其中硅通孔技术的出现将封装业带入了一个新的转折点,但是随着尺寸的微细化,硅通孔技术作为一项新的技术,也存在很多问题,考虑到封装的疲劳和失效,其中对于三维堆叠封装结构的热可靠性分析成为了该项技术发展的关键。
为了避免封装结构关键部位在热载荷的作用下发生热变形失效,本文进行了以下几个方面的研究。
首先,研究了电镀铜使用不同的材料属性参数,单个硅通孔在热冲击温度载荷下的热机械响应。
经过多次有限元分析,得出两者应力大小和分布的不同,总结应力大小分布发生的机理,进一步研究了结构参数对于单个硅通孔热机械可靠性的影响。
对比了相同结构参数下单个硅通孔在二维模型和三维模型下的分析结果。
经过多次建模分析,得出了在两种模型下,硅通孔的应力大小和分布的相同点和不同点。
其次,用解析法和数值方法联合研究二维俯视图和轴向图简化结构的适用范围,通过探究得出,芯片堆叠封装用二维轴向模型可以相对准确的反映堆叠芯片之间热应力的相互影响。
最后,建立了多层堆叠芯片的二维轴向简化模型,研究了其整体变形以及关键部位的应力分布和大小,并研究了结构参数,包括芯片中硅通孔直径、微焊点高度、中介层中硅通孔直径、中介层厚度和常规焊点高度对其热应力的影响曲线图。
通过本文研究,为硅通孔的设计提供科学的理论依据,对电子封装行业的发展具有深远的社会意义。
电子封装技术相关知识介绍
电子封装技术相关知识介绍引言电子封装技术是微电子工艺中的重要一环，通过封装技术不仅可以在运输与取置过程中保护器件还可以与电容、电阻等无缘器件组合成一个系统发挥特定的功能。
按照密封材料区分电子封装技术可以分为塑料和陶瓷两种主要的种类。
陶瓷封装热传导性质优良，可靠度佳，塑料的热性质与可靠度虽逊于陶瓷封装，但它具有工艺自动化自动化、低成本、薄型化等优点，而且随着工艺技术与材料的进步，其可靠度已有相当大的改善，塑料封装为目前市场的主流。
封装技术的方法与原理塑料封装的流程图如图所示，现将IC芯片粘接于用脚架的芯片承载座上，然后将其移入铸模机中灌入树脂原料将整个IC芯片密封，经烘烤硬化与引脚截断后即可得到所需的成品。
塑料封装的化学原理可以通过了解他的主要材料的性能与结构了解。
常用塑料封装材料有环氧树脂、硅氧型高聚物、聚酰亚胺等环氧树脂是在其分子结构中两个活两个以上环氧乙烷换的化合物。
它是稳定的线性聚合物，储存较长时间不会固化变质，在加入固化剂后才能交联固化成热固性塑料。
硅氧型高聚物的基本结构是硅氧交替的共价键和谅解在硅原子上的羟基。
因此硅氧型高聚物既具有一般有机高聚物的可塑性、弹性及可溶性等性质，又具有类似于无极高聚物——石英的耐热性与绝缘性等优点。
聚酰亚胺又被称为高温下的“万能”塑料。
它具有耐高温、低温，耐高剂量的辐射，且强度高的特点。
塑料封装技术的发展塑封料作为IC封装业主要支撑材料，它的发展，是紧跟整机与封装技术的发展而发展。
整机的发展趋势：轻、小（可携带性）；高速化；增加功能；提高可靠性；降低成本；对环境污染少。
封装技术的发展趋势：封装外形上向小、薄、轻、高密度方向发展；规模上由单芯片向多芯片发展；结构上由两维向三维组装发展；封装材料由陶封向塑封发展；价格上成本呈下降趋势。
随着高新技术日新月异不断发展对半导体应用技术不断促进，所以对其环氧封装材料提出了更加苛刻的要求，今后环氧塑封料主要向以下五个方面发展：1 向适宜表面封装的高性化和低价格化方向发展。
CAE-半导体封装模拟
当前及潜在的模拟
热
热处理模拟
- 冷却风扇 - Heatsinks - Electronics housings (chassis, casing, etc.)
消费产品模拟
- 消费产品 - 手持产品 - 计算机及外围设备 (显示器，硬盘等)
工业模拟
- 电力电子 (汽车，控制器等) - 电子设备冷却
航天模拟
有必要构造一个总体模型来施加边界条件到 局部模型上。
MCM Material Properties
Thin film copper
Kapton polymer film
通过热应变
• 建立应变与ANSYS、电子束莫尔图 (EBM)及解析表达式的关系
热疲劳:失效准则
用Engelmaier 模型计算寿命与delta T的关系
• 例2: Extrusion of Gull Wing Lead Geometry
– View Batch File slead.inp in Seminar directory – Input first job as /input,slead,inp – Observe extrusion process as file executes and notice non-orthogonal extrusions
明尼苏达大学电子热设计实验室
光盘刻录机激光器二极管
瞬态热效应
CD-ROM 控制器印刷电路板 (温度分布)
设计优化
部件定义
ECAD System -2D Layout ECAD System - Component Library ECAD System - Not Available So Far
- Heatpipes - 电子设备冷却
多芯片封装(MCM)方案(一)
多芯片封装（MCM)方案一、实施背景随着科技的飞速发展，电子产品对高性能、小型化和低成本的需求日益增强。
其中，多芯片封装（MCM）技术成为满足这些需求的关键。
MCM方案通过将多个芯片集成到一个封装内，提高了芯片间的通信效率，降低了功耗，并减少了产品体积。
这种技术对于推动产业结构改革，尤其是在高集成度、高性能和低功耗的领域，具有重大意义。
二、工作原理MCM技术利用先进的封装工艺，将多个芯片（如处理器、存储器和模拟芯片等）集成到一个封装内。
通过缩短芯片间的距离，提高互连密度，降低信号传输延迟，从而提高整个系统的性能。
此外，MCM技术还通过优化散热设计，降低芯片工作温度，提高系统的稳定性。
三、实施计划步骤1.需求分析：首先明确产品的需求，包括性能、尺寸、功耗等。
这将有助于确定所需芯片类型及数量。
2.芯片选择：根据需求分析，选择适合的芯片。
这需要考虑芯片的性能、功耗、成本等因素。
3.封装设计：设计适合多芯片封装的架构，包括芯片的布局、互连设计、散热设计等。
4.制造与测试：利用所选的芯片和设计，进行MCM的制造和测试。
这包括前道制造和后道测试等环节。
5.验证与优化：对制造和测试的结果进行验证，根据结果进行优化，以提高产品的性能和稳定性。
四、适用范围MCM技术适用于多种领域，如移动设备、云计算、人工智能、物联网等。
在移动设备中，MCM可以提高设备的性能并降低功耗；在云计算中，MCM可以实现高速数据传输和低延迟处理；在人工智能和物联网中，MCM可以提高设备的计算能力和通信效率。
五、创新要点MCM技术的创新点在于其高集成度、高性能和低功耗的特点。
通过将多个芯片集成到一个封装内，不仅提高了芯片间的通信效率，还降低了功耗和产品体积。
此外，MCM技术还通过优化散热设计，提高了系统的稳定性。
六、预期效果与收益预期通过实施MCM方案，可以带来以下效果和收益：1.提高性能：MCM技术将多个芯片集成到一个封装内，提高了芯片间的通信效率，从而提高了整个系统的性能。
功率VDMOS器件封装热阻及热传导过程分析
功率VDMOS器件封装热阻及热传导过程分析高巍;殷鹏飞;李泽宏;张金平;任敏【摘要】热阻是反映电子器件结温的关键热参数,也是指导用户在复杂应用环境中设计热特性的关键参数.本文研究了ITO-220AB封装器件由内至外不同分层材料特性对于器件热阻及热传导的影响.通过测量四种规格VDMOS器件结到环境热阻(Rthj-a)及结到管壳热阻(Rthj-c),并采用结构函数分析法,分析热量从芯片到管壳外的热传导过程发现,随着芯片面积的增大,热阻线性减小,利于器件散热;芯片与框架间过厚的焊锡层非常不利于热量的传导;铜框架厚度间接影响了外部包裹树脂厚度,从而改变了树脂所占器件热阻Rthj-c的比例,树脂材料越厚,器件热阻会明显增大.【期刊名称】《电子元件与材料》【年(卷),期】2018(037)007【总页数】6页(P29-34)【关键词】热阻;结温;VDMOS;ITO-220AB;热传导;焊锡【作者】高巍;殷鹏飞;李泽宏;张金平;任敏【作者单位】电子科技大学电子科学与工程学院, 四川成都 610054;电子科技大学电子科学与工程学院, 四川成都 610054;电子科技大学电子科学与工程学院, 四川成都 610054;电子科技大学电子科学与工程学院, 四川成都 610054;电子科技大学电子科学与工程学院, 四川成都 610054【正文语种】中文【中图分类】TN305.94功率VDMOS器件被广泛应用于电子电力、微波通信以及军事国防等领域,是中小功率领域内主流的半导体开关器件。
随着功率VDMOS器件的发展,工作电流不断增加,开关频率逐渐增大,对于器件发热的控制及传导的分析变得越来越重要。
热因素可导致接近60% 的器件损坏且工作温度每上升10℃,器件损坏的概率就增大了接近两倍[1]。
因此获得器件封装内部的热传导过程以及结温的准确信息,对提高器件工作性能、可靠性和改善封装热设计就变得非常重要[2-3]。
现在国内外对于功率器件如MOSFET、IGBT等的热阻研究有很多[4-6],但是,大部分主要集中在器件整体封装热阻值的测试方法及不同材料接触界面分层热阻,进而考虑器件热阻值对产品可靠性的影响。
集成电路芯片封装技术第1章
(50~90)%
封装效率
封装效率
=2-7%(1970-) =10-30%(1980-)
封装效率
=20-80%(1990-)
封装效率
=50-90%(1993-)
封装效率的改进
35
表2．封装厚度的变化
封装形式
封装厚度
(mm)
PQFP/PDIP TQFP/TSOP UTQFP/UTSOP
解决途径：
1、降低芯片功耗：双极型-PMOS-CMOS-？？？
2、增加材料的热导率：成本
微电子技术发展对封装的要求
三、集成度提高 适应大芯片要求
热膨胀系数（CTE）失配—热应力和热变形
解决途径：
1、采用低应力贴片材料：使大尺寸IC采用CTE接近
Si的陶瓷材料，但目前环氧树脂封装仍为主流
2、采用应力低传递模压树脂 消除封装过程中的热应
目的
使各种元器件、功能部件相组合形成功能电路
难易程度
依据电路结构、性能要求、封装类型而异
需考虑的问题
ห้องสมุดไป่ตู้保护
苛刻的工程条件（温度、湿度、振动、冲击、放射性等）
超高要求
超高性能 （3D IC）
超薄型、超小型
超多端子连接
超高功率（采用热冷、金属陶瓷复合基板等）
电子封装实现的四种功能
① 信号分配：
② 电源分配：
何将聚集的热量散出的问
题
封装保护
芯片封装可为芯片和其他连
接部件提供牢固可靠的机械
支撑，并能适应各种工作环
境和条件的变化
确定封装要求的影响因素
成本
电路在最佳
性能指标下
的最低价格
外形与结构
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
电子封装结构热分析与冷却设计
随着电子科技的迅速发展，电子产品的功能不断增强，尺寸不断缩小，这为电
子封装结构的热分析与冷却设计提出了更高的要求。
热管理对于电子设备的稳定运行至关重要，因此深入研究电子封装结构的热分析与冷却设计是非常必要的。
电子封装结构的热分析是指通过数值模拟和实验方法，对电子元器件和封装结
构进行温度分布和热传导等热学特性的研究。
在热分析过程中，需要采集多种数据，并进行数据处理和分析，以获得准确的温度分布信息。
然而，电子封装结构热分析的挑战在于，电子设备内部存在复杂的热耦合与热
耗散机理。
这可能导致温度分布不均匀，甚至出现局部过热的情况。
因此，在热分析过程中，需要充分考虑电子设备的工作环境和使用条件，以减小误差并提高准确性。
电子封装结构的热分析旨在找到最佳的冷却设计方案，以确保电子设备在工作
时能够保持适宜的温度，避免温度过高而导致设备失效。
为了达到这一目标，热分析必须充分考虑电子元器件的功耗、散热能力以及环境温度等因素，并在设计过程中应用热传导和流体动力学等理论。
在冷却设计中，散热器的选择和布局是非常重要的一环。
散热器通常采用铝合
金或铜制材料制成，具有良好的热导率和散热性能。
冷却风扇也是散热设计中不可或缺的一部分，通过风扇的强制对流可以提高散热效果。
此外，热导管和热管技术也被广泛应用于电子封装结构的冷却设计中，它们能够将热量从一个位置传递到另一个位置，从而提高热传导效率。
除了传统的冷却方式，利用液体冷却技术也是一种有效的选择。
液体冷却可以
通过将冷却剂引入到电子封装结构内部，以更高的热容量和热传导性来吸收和分散热量。
然而，液体冷却技术也存在一些挑战，如冷却剂的泄漏和封装结构的复杂性等。
在电子封装结构的热分析与冷却设计中，综合考虑热导率、热容量、流体力学和材料力学等多种因素是非常重要的。
此外，还可以采用热仿真软件进行模拟和优化，以实现更准确和高效的热管理。
总之，电子封装结构的热分析与冷却设计是电子科技领域的重要研究课题。
随着电子产品尺寸的不断缩小和性能的提升，如何有效管理热量，保证设备长时间、高效稳定工作是一项具有挑战性的任务。
通过深入研究热学特性，采用合适的冷却设计，可以提高电子设备的抗热性能，从而满足日益增长的电子产品需求。