MCM温度场稳态分析.docx
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MCM温度场稳态分析
题目四：
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。
模型的热边界条件为：
热源为芯片的功耗，其中ASIC大芯片的功耗为2W，热流密度为×106W/m3；其余的四个芯片中，三个微处理器芯片功率的功耗为，热流密度为×106W/m3；存储器芯片的功耗为，热流密度为×106W/m3。
模型外部（热扩展面、基板、PCB）通过与空气的对流进行散热，在空气自然对流情况下，周围空气的温度为20oC，对流换热系数为15W/（m2·K）。
表MCM结构参数和材料属性
模型组件
材料
尺寸（mm）
导热系数
（W/（m·k））
芯片
硅
7×7×；5×5×
82
芯片凸点
5Sn/95Pb
7×7，6×6，Ф，Height:
Pitch:
36
基板
Al2O3+BeO
25×25×
20
焊料球
Ф,Height:
Pitch:
33
PCB
FR4
50×50×
,
热介质材料
导热脂
Thick:
1
粘接剂
粘接剂
Thick:
热扩展面
铜
25×25×
390
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10oC，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：
图4-1MCM几何模型图
图4-2MCM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）
图4-3施加载荷后分析图
b、分析处理（温度云图）结果如下：
图4-4温度云图
3、后处理：
图4-5热沉的芯片内部温度分布云图
图4-6芯片凸点（5Sn/98Pb）温度分布
图4-7基板（聚酰亚胺）温度分布云图
图4-8焊料球（37Sn/63Pb）温度分布云图
图4-9PCB（FR4）温度分布云图
图4-10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oC，没有散热的布局温度大概达350oC）；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。
命令流
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/PREP7
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WPAVE,0,0,0
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BLOCK,,,0,,,,
FLST,3,1,6,ORDE,1
FITEM,3,243
VGEN,8,P51X,,,,,,,0
VSEL,S,LOC,Z,,
FINISH
/SOL
FINISH
/PREP7
FLST,2,9,6,ORDE,2
FITEM,2,242
FITEM,2,-250
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VSEL,U,,,5
FLST,2,2,6,ORDE,2
FITEM,2,195
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FLST,5,59,6,ORDE,6
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FITEM,5,-194
FITEM,5,196
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FITEM,5,217
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VSEL,,,,P51X
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/SOL
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FITEM,2,15
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ASEL,S,EXT
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ALLSEL,ALL
VSEL,S,LOC,Z,.?
VSEL,S,LOC,Z,0,
ASEL,S,EXT
FLST,5,2,5,ORDE,2
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