余昭杰+于迪+任艷+周軍連+許實(shí)清+楊云

【摘 要】集成電路封裝雙熱阻模型（RJC和RJB）可以用于電子產(chǎn)品散熱分析時(shí)計(jì)算集成電路結(jié)溫，然而基于實(shí)驗(yàn)測試來獲取熱阻模型需要花費(fèi)大量經(jīng)費(fèi)和時(shí)間，因此可以借助仿真技術(shù)獲取熱阻參數(shù)。本文首先介紹仿真技術(shù)提取集成電路封裝雙熱阻模型的流程，最后通過搭建符合JEDEC測試標(biāo)準(zhǔn)的虛擬熱阻測試環(huán)境，對(duì)一款PBGA封裝的集成電路進(jìn)行雙熱阻模型提取。

【關(guān)鍵詞】雙熱阻模型；FloTHERM；仿真技術(shù)

0 概述

在進(jìn)行電子產(chǎn)品散熱分析時(shí)，集成電路封裝熱模型可以有三種建模方式，分別是塊模型、熱阻模型和詳細(xì)模型。目前國際主流集成電路廠商產(chǎn)品手冊(cè)中比較常見的熱阻模型是雙熱阻模型，如圖1所示。雙熱阻模型由三個(gè)結(jié)點(diǎn)TJ、TC和TB以及結(jié)到殼的熱阻RJC和結(jié)到板的熱阻RJB組成。其中，TJ表示器件的結(jié)溫，通常用芯片的平均溫度代替，TC 表示芯片封裝外殼外表面溫度，TB 表示芯片封裝外部引腳與電路板相接處或其附近區(qū)域的溫度[1，3]。

1 通過仿真技術(shù)獲取雙熱阻模型的流程

首先，通過集成電路廠商或者其產(chǎn)品手冊(cè)，獲得集成電路的詳細(xì)參數(shù)，如裸芯片、芯片載體等封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物理尺寸，引腳或焊球的尺寸及分布特點(diǎn)，芯片功耗，封裝內(nèi)各結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱率等。

其次，利用第一步中獲得的參數(shù)以及封裝特點(diǎn)通過專業(yè)熱分析軟件對(duì)集成電路封裝建立詳細(xì)的模型。詳細(xì)模型包括封裝中的大多數(shù)細(xì)節(jié)，以Flotherm軟件中PBGA封裝詳細(xì)模型為例，包括焊球、芯片、模注樹脂、基板、銅布線等。

最后，通過第二步中已驗(yàn)證有效的詳細(xì)熱模型提取雙熱阻模型。提取雙熱阻模型的方法主要是將詳細(xì)模型的表面劃分為上表面和下表面，分別用一個(gè)結(jié)點(diǎn)代表。上表面和下表面結(jié)點(diǎn)與芯片結(jié)點(diǎn)之間用熱阻互連。使用考慮所有邊界條件的詳細(xì)熱模型，可以計(jì)算結(jié)溫、表面溫度以及通過上表面和下表面熱流量，進(jìn)而可以計(jì)算雙熱阻模型中各個(gè)熱阻的具體數(shù)值。

2 通過仿真技術(shù)提取PBGA封裝雙熱阻模型案例

2.1 PBGA封裝建模

2.1.1 芯片載體建模

通過FLoEDA Bridge模塊，導(dǎo)入芯片載體導(dǎo)電層頂層和底層圖片，并按照芯片載體幾何尺寸和材料屬性，設(shè)置芯片載體模型[2]，導(dǎo)電層如圖2。

2.1.2 焊球建模

按照?qǐng)D3的方法，將球形焊球簡化為正方形焊球，并最終得到焊球和芯片載體模型如圖4所示。

2.1.3 裸芯片建模

裸芯片由有源區(qū)、襯底和導(dǎo)電膠構(gòu)成，如圖5所示。有源區(qū)產(chǎn)生熱功耗，采用Collapsed Source進(jìn)行建模，并將熱源指向襯底，襯底硅材料熱導(dǎo)率受溫度影響較大，所以需要將熱導(dǎo)率設(shè)置為隨溫度變化，加入裸芯片的模型如圖6所示。

2.1.4 鍵合線和外殼建模

PBGA芯片中鍵合線形狀是彎曲的，需要根據(jù)鍵合線的實(shí)際長度進(jìn)行簡化，使其與坐標(biāo)軸平行，如圖7所示，而外殼則直接使用Cuboid模型建模。最終模型如圖8所示。

3 創(chuàng)建測試環(huán)境

按照J(rèn)EDEC標(biāo)準(zhǔn)[6]，創(chuàng)建RJC和RJB虛擬測試環(huán)境，可以從FloTHERM Pack網(wǎng)站自動(dòng)生成，也可以手動(dòng)創(chuàng)建，結(jié)果如圖9所示。

4 設(shè)置溫度監(jiān)控點(diǎn)并進(jìn)行仿真

按照J(rèn)EDEC標(biāo)準(zhǔn)[6]，計(jì)算RJC時(shí)需要在PBGA封裝外殼外表面中間位置設(shè)置溫度監(jiān)控點(diǎn)[4-5]，獲得的殘差曲線和監(jiān)控點(diǎn)溫度如圖10所示。

按照J(rèn)EDEC標(biāo)準(zhǔn)[6]，計(jì)算RJB時(shí)需要在測試板頂層導(dǎo)電層距離PBGA封裝1mm處設(shè)置溫度監(jiān)控點(diǎn)[4-5]，獲得的殘差曲線和監(jiān)控點(diǎn)溫度如圖11所示。

查看監(jiān)控點(diǎn)溫度（即PBGA封裝外殼外表面中間位置溫度）和裸芯片溫度，如圖12所示，因此：

RJC=（TJ-TC）/P=（78.32℃-73.54℃）/1W=4.78℃/W。

查看測試板監(jiān)控點(diǎn)溫度和裸芯片溫度，如圖13所示。因此：

RJB=（TJ-TB）/P=（71.31℃-28.90℃）/1W=42.41℃/W。

5 結(jié)論

集成電路的高熱流密度、電子產(chǎn)品的小型化發(fā)展方向和使用環(huán)境的多樣化，使得電子產(chǎn)品散熱面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，而電子產(chǎn)品散熱分析亟需獲取集成電路熱阻模型。由于通過測量獲取集成電路封裝熱阻模型不僅成本高，而且測試周期也很很長，因此基于FloTHERM等熱仿真技術(shù)提取熱阻模型非常具有實(shí)用價(jià)值。本文介紹通過仿真技術(shù)提取集成電路封裝雙熱阻模型，并搭建符合JEDEC測試標(biāo)準(zhǔn)的虛擬熱阻測試環(huán)境，對(duì)一款PBGA封裝的集成電路進(jìn)行雙熱阻模型提取，為熱設(shè)計(jì)工程師、電路設(shè)計(jì)工程師提供一種參考。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張棟，付桂翠.電子封裝的簡化熱模型研究[J].電子器件，2006，29（3）：100-103.

[2]李波.FloTHERM軟件基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例[M].北京：中國水利水電出版社，2014.

[3]何成.典型封裝芯片的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2013.

[4]鈕冬科，金曉怡，張向偉，等.基于Flotherm的電子電路熱仿真分析與研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（6）：334-337.

[5]季雙.微電子芯片的熱仿真分析[D].北京：北京交通大學(xué)，2009.

[6]EIA/JESD51-2， Integrated Circuit Thermal Test Method Environmental Conditions-Natural Convection（Still Air）.Arlington， VA， Electronic Industries Association，1997[Z].

[責(zé)任編輯：王楠]