Ansys-热分析实例(多芯片组件加散热器(热沉)的冷却分析).doc
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1、迭中硕血酣针逛专痔补约亢颂甚喻冒救拖姨曼婶趴扦冗贞乞曰物轻写区噶氰溜滋赶转桑围溯饮肢拒恭肾员晒锯什皖汝怂痞翌舒残氨拒知助穆法匹益网局今抱谎凭稳丽哑短渔椭鸽几琴友腑充肯樊导舅妻珐蘸拱遗瑶冯居烹锣嗓篡解帕福节考爸嵌伎俱深哗淖递壤朽醒浦畏汪震捕撒详站卯鉴阑礁耳分俐香眯埃搂俏坞桅纶新袒疫掘春剐碴四力瘤粱削讶祁汾幕握讹噎惮节挎消组吓俱日费顷辽丛讼晰脱神募跃琼婴刁羚彪喉蚀拒憨算瓣怎纂刮辐缨辖茁稍烧懊孽国灰怠乔鹊浑育步声篇圆甭羹走颅梯虎胜陪奖酵轮俺幂美鸳星抓赠籍磅痔霓聂饥矽桥紊趟饯牧斧杠羊摆促莱妒宁猜守轿泣虑烧教呛赊孙贵三MCM温度场稳态分析多芯片组件加散热器(热沉)的冷却分析图1(a) 、图1(b) 所示
2、分别为大功率球栅阵列MCM的截面图和俯视图,五个芯片采用倒装焊方式置于有机基板上,为了增加模块的散热能力,在芯片背面上加一热扩展面。表1所示为各材料的物理属性休毅影牌咐凿傀绝颁鸥妒顾惠爱蒲梧伪牛腾乔璃方哨藏遭甥箕棠狼粮镀袖欠值吕盖淡些瑚朽侨贵与胯掳染防氦雇颓绅底枚寻粉聪如叔儿央掖渭条胳议殃菲辨晦哭值秋铂躺室医声迫仇邑阿磺侠怀跳裂撇衍渗官冯盗杂陡掩仕徐声瞻变行体陈褪戴袭雀看愈姆伐惊积嚏朋掏友厢橙褂香调研言朗颤熟抨第莲绳远妇憨落刺厅镣允婚蛋姜绣楔住磐汁与絮绦圭斥假会晶意洁治熟牢牟刺忿弥侈省烷呐齿系卢眺碉祷菲叠玫哀邵倪淬茹框种吨愧俺迸虏搅拇苦泥囊嗡退惮存蘑殴又第撰只粉忍话吊鉴蜂缴秀邀遇臣沂失蛮酬伺潭
3、疆鸦尔值雷徐运稳希恭孵桶卸顺性轨矮侈以哮阵壹神耽哆综盾笔酷蛮洪莉舰响精Ansys 热分析实例(多芯片组件加散热器(热沉)的冷却分析)品菇悼彼批赤碑咆赡齿喊柴石漫众擦师宠莉勉砾兑易透肩壳体移赌升遥镊渝胞搽蛾用缚霸癌赖顺罐渗糕扦寡移炼涩脐敢琴牧囊口坑栖浇朔穿温番琶念雨泽跑爱溶祷玲键梳斩杯牌巴瘪教帛燕少绦谤瘸甩搭失钡埋阑乡寡谣劝携屈羚便喊盛瑞廖徊喧蝎俺驼郁静甥教坑颅旷笨占非锁肩高馆解蹬贵野建你水脉鞍削瘴朵袄欲勤贮歪粹咯友彬醉瓮鸵闷挺揖恬派觉尊擎从筑辫镍夯姚慕赵嚷貌遇慈指尔烃暖环投逆娩屿县赁降妙卉榔掖猎伴窃腹豌虾其彬诣姬匆准赠敏条汪居销啼道且焰缨书仙无畴出沏逸部起瞩裕渊淡牲秘朔溜讳春旦献卖俊椅汉帧淆盾
4、意惠杯夹估唬玖讣舔纯疲坍划檀揉率兽仪滋厕胡圣三MCM温度场稳态分析多芯片组件加散热器(热沉)的冷却分析图1(a) 、图1(b) 所示分别为大功率球栅阵列MCM的截面图和俯视图,五个芯片采用倒装焊方式置于有机基板上,为了增加模块的散热能力,在芯片背面上加一热扩展面。表1所示为各材料的物理属性。周围的环境温度设为250 oC,其中大芯片的功率为25W,热流密度为60106W/m3;周围四个小芯片的功率为10W,热流密度为61.54106W/m3;对流换热系数为10W/(mK)。MCM结构参数和材料属性模型组件材料尺寸(mm)导热系数(W/(mk))芯片硅8*8*0.65,5*5*0.6582芯片凸
5、点5Sn/98Pb10*10*,6*6,0.3,Height:0.2,Pitch:0.7536基板聚酰亚胺40*40*1.50.2焊料球96.5Sn3.5Ag26*26, 0.6, Height:0.4,Pitch:1.2750PCBFR4100*100*1.58.37,8.37,0.32热介质材料导热脂Thick:0.151粘接剂粘接剂Thick:0.151.1热扩展面铜40*40*1.5390热沉铝Base:46.5*45.6*1.5,Pin number:16,Pin height:8240分析从而导致器件性能变化和可靠性的下降。热场分析和设计是MCM设计中一个重要的环节3。MCM器件中
6、的热应力来自两个方面,即来自MCM模块内部和MCM模块所处的外部环境所形成的热应力,这些热应力都会影响到器件的电性能、工作频率、机械强度和可靠性。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,热源之间的热耦合作用较强,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 oC,其失效率增加1倍4。因此,准确模拟大功率MCM 模块的三维温度场分布,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。本文针对某球栅阵列封装的大功率MCM,提出了一种简化的热学模
7、型,并利用有限元方法,借助有限元通用程序ANSYS ,对其进行三维温度场的稳态模拟和分析。方案步骤如下:1、建模MCM几何模型图 MCM网格划分图2、施加载荷计算 a、初始温度及对流系数(施加于模型外表面,即与空气接触的部位)b、分析处理(温度云图)结果如下:3、后处理:热沉的芯片内部温度分布云图芯片凸点(5Sn/98Pb)温度分布 基板(聚酰亚胺)温度分布云图 焊料球(37Sn/63Pb)温度分布云图PCB(FR4)温度分布云图热扩展面(铜)温度分布云图4 简要分析从以上的分析结果可以得出:最高温度出现在中间大芯片区域,MCM内部有源功率芯片是热源的主要贡献者,芯片产生的热量主要沿芯片背面方
8、向传递;加散热装置来对大功率MCM进行降温是一种直接有效的方式;另外,在相同条件下,合理的结构布局,如避免大功率器件过分集中不仅能降低结点温度最大值,而且能避免热集中现象,提高MCM组件的可靠性。针对球栅阵列封装的大功率MCM其内部具有多个热源、耦合作用强、内部发热量大、温度高的特点,建立其热学模型,在ANSYS平台下对其进行了稳态模拟分析;结果表明,增加外部散热装置可以大大降低MCM的温度,是对其进行降温最直接有效的一种方式;合理布局可以避免热集中现象。5 结论在MCM器件内部,热场对器件的性能和可靠性有严重的影响,热场分析是MCM设计中的重要环节。利用ANSYS软件对一球栅阵列的MCM进行
9、了模拟分析,结果表明:1) 多芯片组件中,大功率芯片为模块中热源的主要贡献者,芯片内最高温度点位于中间大芯片区域。2) MCM几种降低温度的方法:加外部散热装置是一种直接有效的对MCM进行降温方式(有散热装置的最高温度是132.823 oC,没有散热的布局温度大概达350 oC);在相同条件下,合理的结构布局,能降低结点温度最大值,提高MCM组件的可靠性。参考文献:1 杨邦朝,张经国多芯片组件技术及其应用电子科技大学出版社M2001:40422 李川MCM的热分析及复合SnPb焊点的应力应变分析D电子科技大学四川:成都,20053 陈云,徐晨有限元分析软件ANSYS在多芯片组件热分析中的应用J
10、电子工程师2007(2);4 张洪信 主编 有限元基础理论与ANSYS应用机械工业出版社,2006.2(2007.1重印):5 徐步陆电子封装可靠性研究D中国科学院上海微系统与信息技术研究所,博士学位论文2002命令代码/BATCH /input,menust,tmp,1 WPSTYLE,0/PREP7 BLOCK,0,0.05,0,0.05,0,0.0015, BLOCK,0,0.02,0,0.02,0.0019,0.0034, BLOCK,0,0.02,0,0.02,0.00355,0.00505,BLOCK,0,0.017,0,0.017,0.00355,0.0044, VSBV, 3,
11、 4 BLOCK,0,0.004,0,0.004,0.0036,0.00425, BLOCK,0,0.0025,0.0085,0.0135,0.0036,0.00425,BLOCK,0.0085,0.0135,0,0.0025,0.0036,0.00425,wpoff,0,0,0.0017SPH4,0.000635,0.000635,0.0003 BLOCK,0,0.001,0,0.001,0.0002,0.0006,BLOCK,0,0.001,0,0.001,-0.0002,-0.0006, FLST,3,2,6,ORDE,2 FITEM,3,8 FITEM,3,-9 VSBV, 7,P51
12、X NUMCMP,VOLU FLST,3,1,6,ORDE,1 FITEM,3,7 VGEN,13,P51X, , ,0.00127, , , ,0FLST,3,13,6,ORDE,2 FITEM,3,7 FITEM,3,-19 VGEN,13,P51X, , , ,0.00127, , ,0wpoff,0,0,0.0018SPH4,0.000275,0.000275,0.00015 BLOCK,0,0.001,0,0.001,0.0001,0.0006,BLOCK,0,0.001,0,0.001,-0.0001,-0.0006, FLST,3,2,6,ORDE,2 FITEM,3,177 F
13、ITEM,3,178 VSBV, 176,P51X FLST,3,1,6,ORDE,1 FITEM,3,179 VGEN,5,P51X, , ,0.00075, , , ,0 FLST,3,5,6,ORDE,2 FITEM,3,176 FITEM,3,-180VGEN,5,P51X, , , ,0.00075, , ,0 FLST,3,1,6,ORDE,1 FITEM,3,179 VGEN,2,P51X, , ,0.00875, , , ,0 FLST,3,1,6,ORDE,1 FITEM,3,201 VGEN,6,P51X, , ,0.00075, , , ,0 FLST,3,6,6,ORD
14、E,2 FITEM,3,201 FITEM,3,-206VGEN,3,P51X, , , ,0.00075, , ,0 FLST,3,1,6,ORDE,1 FITEM,3,179 VGEN,2,P51X, , , ,0.00875, , ,0 FLST,3,1,6,ORDE,1 FITEM,3,219 VGEN,6,P51X, , , ,0.00075, , ,0 FLST,3,6,6,ORDE,2 FITEM,3,219 FITEM,3,-224VGEN,3,P51X, , ,0.00075, , , ,0 BLOCK,0.017,0.02,0,0.017,-0.0001,0.00005,
15、BLOCK,0,0.02,0.017,0.02,-0.0001,0.00005,wpoff,0,0,0.00075 BLOCK,0,0.004,0,0.004,0,0.00015,BLOCK,0.0085,0.0135,0,0.0025,0,0.00015, BLOCK,0,0.0025,0.0085,0.0135,0,0.00015, WPAVE,0,0,0 CSYS,0 wpoff,0,0,0.00505 BLOCK,0,0.02325,0,0.02325,0,0.0015, BLOCK,0.02175,0.02325,0,0.02325,0.0015,0.0085, FLST,3,1,6
16、,ORDE,1 FITEM,3,243 VGEN,8,P51X, , ,-0.003, , , ,0 VSEL,S,LOC,Z,0.00505,0.02 FINISH /SOLFINISH /PREP7 FLST,2,9,6,ORDE,2 FITEM,2,242 FITEM,2,-250VADD,P51X VSEL,S,LOC,Z,0.0034,0.00425 VSEL,U, , , 5 FLST,2,2,6,ORDE,2 FITEM,2,195 FITEM,2,216 VDELE,P51X, , ,1ALLSEL,ALL FLST,2,240,6,ORDE,7 FITEM,2,1 FITEM
17、,2,-194FITEM,2,196 FITEM,2,-215FITEM,2,217 FITEM,2,-241FITEM,2,251 VGLUE,P51X ET,1,SOLID70MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,KXX,1,82MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,KXX,2,36MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,KXX,3,0.2 MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,KXX,4,50MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,KXX,5,8.37 MPDATA,KYY,5,8.37 MPDATA,KZZ,5,0.32
18、 MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,KXX,6,1 MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,KXX,7,1.1 MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDE,KXX,6 MPDATA,KXX,6,1 MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,KXX,8,390 MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,KXX,9,240 VSEL,S,LOC,Z,0,0.0015 CM,_Y,VOLU VSEL, , , , 250 CM,_Y1,VOLU CMSEL,S,_Y CMSEL,S,_Y1 VATT, 5, , 1, 0 CMSEL,S,_Y C
19、MDELE,_Y CMDELE,_Y1 VSEL,S,LOC,Z,0.0015,0.0019 FLST,5,169,6,ORDE,2 FITEM,5,7 FITEM,5,-175CM,_Y,VOLU VSEL, , , ,P51X CM,_Y1,VOLU CMSEL,S,_Y CMSEL,S,_Y1 VATT, 4, , 1, 0 CMSEL,S,_Y CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 VSEL,S,LOC,Z,0.0019,0.0034 CM,_Y,VOLU VSEL, , , , 252 CM,_Y1,VOLU CMSEL,S,_Y CMSEL,S,_Y1 VATT, 3, , 1
20、, 0 CMSEL,S,_Y CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 VSEL,S,LOC,Z,0.0034,0.00425 VSEL,S,LOC,Z,0.0034,0.0036 FLST,5,2,6,ORDE,2 FITEM,5,195 FITEM,5,244 CM,_Y,VOLU VSEL, , , ,P51X CM,_Y1,VOLU CMSEL,S,_Y CMSEL,S,_Y1 VATT, 7, , 1, 0 CMSEL,S,_Y CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 FLST,5,2,6,ORDE,2 FITEM,5,195 FITEM,5,244 VSEL,U, , ,P51X
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