热仿真设计在陶瓷封装中的应用研究

仝良玉，蒋长顺，张元伟，张嘉欣

（无锡中微高科电子有限公司，江苏 无锡 214035）

1 引言

与集成电路塑料封装相比，集成电路陶瓷封装具有更高的可靠性，因此陶瓷封装也更多被用在军事航天等特殊领域。应用环境的恶劣，给器件的热设计提出了更高的要求。陶瓷封装的热特性一般采用结壳热阻（θJC）来衡量，表示芯片到封装外壳的散热能力。本文采用两种不同的边界条件处理方法对一款陶瓷封装产品进行了θJC的有限元仿真，并分析了仿真结果差异的原因。针对实际的封装电路，采用电测试法进行了结壳热阻的测试，并将实验结果与仿真结果进行了对比，验证了仿真方法的可行性。

2 有限元模型与仿真方法

2.1 有限元模型

针对一款CQFP器件，采用专用的热测试芯片进行器件结壳热阻的分析。测试芯片采用两个栅漏短接的NMOSFET作为加热源，有源区面积为3.82 mm×3.82 mm，厚度减薄至350 μm。图1为CQFP228三维模型的侧视剖面图，由于陶瓷外壳的高热导率，外壳内部的金属布线层相对较薄，对整体外壳的散热性能没有大的影响[1]，因此建模时忽略瓷体内部布线，整个模型包含陶瓷管壳、芯片、芯片粘结层、盖板、引线，相关参数见表1。

图1 CQFP三维模型侧视剖面图

表1 模型各部分材料及相关参数

通过对多片样品的测定，芯片粘结层厚度都控制在50±5 μm，因此最终模型中粘结层的厚度选择50 μm。管壳面积40 mm×40 mm，芯片下方管壳厚度1 mm。有限元分析模型在ANSYS中建立，由于模型的对称性，仿真对1/4模型进行，用全六面体进行网格划分，如图2所示，最终模型共包含约1.4万网格单元和8.7万节点。

图2 CQFP三维有限元模型网格划分

2.2 结壳热阻的有限元仿真方法

根据GJB548B-2005方法1012热性能测试方法，陶瓷管壳采用热界面材料安装于散热器上，散热器温度控制在恒温60 ℃左右，原理如图3所示，热电偶用于测量管壳底面中心点的温度。

图3 结壳热阻测试原理示意图

按照此方法进行结壳热阻的仿真时，对散热边界条件的处理通常有两种方式[2]：

（1）按照第一类边界条件处理散热器的作用，即在管壳底面施加恒定温度60 ℃（Tc=60 ℃），其他面做绝热处理。

（2）将陶瓷管壳与散热器之间的导热胶按第三类边界条件处理，将其作用等效为对流系数[2]。对流系数的大小按下式确定：

其中k（W.m-1K-1）为导热胶的热导率，t(m)为导热胶的厚度；而对流环境温度设置为60℃。按照热测试标准，导热胶厚度控制在25 μm～50 μm，选用的导热胶热导率为0.8 W.m-1K-1，导热胶厚度按50 μm进行计算。

3 仿真结果与分析

按照以上两种处理方法，对芯片上表面施加1.0 W功耗，获得的器件温度分布如图4所示，获得的结温和热阻信息如表2所示，管壳温度表示陶瓷管壳底面中心点的温度。

图4 不同处理方法得到的器件温度分布

由仿真结果可知，选用两种不同的方案进行结壳热阻仿真时，所得结果并不一致。比较两种仿真方法，唯一的不同点在于陶瓷外壳的散热条件。管壳底面采用冷却条件时，热量流经芯片、贴片胶、底部基板散出，在此过程中，芯片和贴片胶的热阻保持不变；当基板底面的散热性能降低时，管壳外底面的热量分布更广，有效的散热面积更大[3]，从而管壳底部的有效热阻降低，RJC有减小的趋势。同时，两种方法可在热阻θJC的分析上有较大的偏差。

表2 结温和热阻信息

4 测试结果与分析

4.1 测试结果

实物样品采用电测试法获得器件的结温、热阻信息。电测试法根据PN结在恒定电流下，其正向压降与结温呈线性关系，从而可以将结温的测量转化为对正向压降的测量。

在进行热阻测试时，器件基板底面采用导热胶与外部热沉相连，并用夹具进行固定。器件底面中心点温度采用热电偶测量，通过6个样品测试，获得每个样品的热阻值如表3所示。首先对6个测试数据求平均值和标准差，进一步在一倍标准差的范围内进行热阻值的二次筛选，将筛选后的热阻值求平均值作为最终的测试热阻值，最终得到的热阻值为4.66 ℃.W-1，标准差0.22 ℃.W-1。

表3 测试样品热阻值

在进行多样品的热阻测试时，测试值有一定的浮动。由于不同样品中贴片胶厚度、空洞率的不同，影响器件的散热性能；同时，由于器件与散热器之间的导热胶，很难对其厚度进行精确的控制，从而影响管壳外部的散热条件，根据对仿真结果的分析，这也会对测试结果造成影响。

4.2 仿真与测试结果对比

如表4所示，对比测试结果和仿真结果可知，采用第一种方法时，即基板底面采用恒温条件，热阻误差达到28.8%；当考虑导热胶的影响，采用等效散热系数进行仿真时，仿真与测试结果误差降到11.6%，显然采用第二种仿真方法时，结果与实验结果更为接近。根据以上分析，在实际测试时，由于基板底面通过导热胶与外部热沉相连，从而不可能达到理想的恒温条件，因此采用恒温边界条件仿真时，结果误差要大于第二种仿真方法。

表4 测试与仿真结果对比

5 总结

有限元方法可以方便地获得芯片结温、温度分布等信息，但在进行结壳热阻仿真分析时，边界条件的处理方法会对最终的结果造成很大的影响。与实际测试结果相比，采用理想散热边界条件进行仿真分析时，得到的热阻值偏大；在对特定产品进行热阻分析时，应根据相应的应用条件，选择合适的仿真方法。在对陶瓷封装进行热阻测试时，应考虑导热胶的性能对最终结果带来的误差，采取多样品多次测试等方法来减小误差。

[1] Ravi Kandasamy, A.S. Mujumdar. Thermal analysis of a flip chip ceramic ball grid array (CBGA) package[J].Microelectronics Reliability, 2008, 48 (2008): 261-273.

[2] 贾松良，朱浩颖. 集成电路陶瓷封装热阻RT-jc的有限元分析[J]. 半导体技术，1997，12(6): 6-11.

[3] Vermeersch B, Mey G D. Dependency of thermal spreading resistance on convective heat transfer coefficient [J].Microelectronics Reliability, 2008, 48 (2008): 734-738.