基于Simsolid的MCM-BGA封裝體運行溫度及熱應力分析與優化設計
作者: Wang Houhua
Introduction
Simsolid自問世以來，因其獨創的無網格分析技術，受到了相關從業技術人員的廣泛關注。在其應用領域不斷拓寬的同時，Simsolid的準確性也被越來越多的工程實踐所驗證。相較于傳統的FEM，Simsolid在計算效率上存在著明顯的優勢。本案例擬采用Simsolid對MCM-BGA封裝體的熱應力進行分析，并通過有限元分析軟件ABAQUS驗證了Simsolid熱分析及熱應力分析結果的準確性。最后，通過改變封裝體的結構對該封裝體進行了優化設計。
Chapter 1 問題描述與模型建立
本次案件所采用的MCM-BGA封裝體共包含9個芯片、熱界面材料、散熱外殼、PCB、若干熱點焊連接點及封裝基體[1]。具體的裝配關系見圖1所示。通過3D繪圖軟件繪制封裝體的幾何模型，并導入到Simsolid。各部件的材料參數見表1。
圖1 MCM-BGA封裝體的裝配關系
表1 各部件的材料參數[1]
熱應力分析的思路一般為先進行熱分析得到溫度場，再把溫度場導入到新的模型中計算熱應力?；谶@一原則，本案例將分為熱分析和結構分析兩部分進行闡述。
1.1 熱分析
Simsolid的提供了專門進行熱分析的分析類型。在創建熱分析之后，需要填寫溫度、體熱流及對流條件。具體到本次案例，設定流過每個芯片上表面的熱功率為50W/cm^2，對于裸漏在空氣側的封裝體外殼設定對流散熱系數為20W/（m^2*K），環境溫度設定為20℃。由于Simsolid暫不支持冷卻液流速相關分析，通過修改冷卻通道的對流換熱系數及環境溫度進行彌補。對于散熱外殼冷卻通道，假定為液體強制對流散熱，散熱系數設為1000 W/（m^2*K），冷卻液溫度設定為15℃。完成上述操作后，便可提交Simsolid進行計算，從而得到溫度場結果。
1.2 結構分析
得到溫度場計算結果后，可在同一個分析項目下建立結構分析。在本案例中，設定封裝體的PCB下邊面為不可移動面，并對整個封裝體添加溫度載荷，溫度的輸入為熱分析的結果，如圖2所示。完成上述操作后，便可提交Simsolid進行計算，從而得到封裝體的熱應力結果。
圖2 溫度載荷的設定
Chapter 2 結果分析與準確性驗證
2.1 溫度場結果
圖3為熱分析結束后封裝體上的溫度分布，可以看出該封裝體在運行時芯片附近區域的溫度較高，最高溫度為119.2℃，其位置為芯片與封裝基體的熱點焊連接點處。在PCB基板邊緣處的溫度上升在10℃左右。在封裝體的上部，由于散熱罩的強烈散熱，溫度約為40℃。
圖3 MCM-BGA封裝體的溫度分布
2.2 熱應力結果
圖4為MCM-BGA封裝體的熱應力分析結果。熱應力是由于封裝體各部分的溫度分布不一致以及材料的線膨脹系數差異產生的。從整體上來看，封裝體的熱應力數值不高，約為40MPa，但局部位置存在著高應力區。圖5顯示了封裝體上的最大應力點和最小應力點?？梢钥闯?，封裝體的最高應力出現在封裝基體與芯片連接的熱點焊位置，在后續運行的過程中易成為失效點。散熱罩與封裝基板連接處的應力峰值雖然沒有熱點焊連接點處的應力峰值高，但相較于其他部位存在著應力突變，在后續運行過程中容易產生鈍化裂紋或開裂現象[2]。
圖4 MCM-BGA封裝體的熱應力分析結果
圖5 MCM-BGA封裝體的最大熱應力與最小熱應力示意圖
2.3 Simsolid分析結果的準確性驗證
在本案例中，使用ABAQUS對該問題進行分析，以驗證Simsolid分析結果的準確性。在利用ABAQUS進行分析時也采用了熱—力順序耦合的方法，即先通過熱分析得到溫度場，隨后將溫度場作為預定義場導入到結構分析模型中進行熱應力的計算。
圖6、圖7及圖8為ABAQUS熱分析得到的溫度場分布云圖與Simsolid的分析結果比較?？梢钥闯?，ABAQUS計算得到的封裝體運行時的溫度分布與Simsolid的吻合度較高，且數值差異很小。在最高溫度上的溫度差異僅為0.8℃，且在芯片附近的區域均為高溫區。為更加準確的評估兩種分析方法之間的相似度，對封裝體中心線出的溫度分布進行提取得到圖9。可以看出兩種分析方法下，芯片表面的溫度相同，在兩端的溫度差異也很小。兩芯片中間位置的溫度差異稍大可能是由于數據點選取的位置不統一造成的，但在整體數據即分布趨勢上可以得出，使用Simsolid計算得到的溫度場的準確性較高。
圖6 ABAQUS與Simsolid溫度場分布比較-整體
圖7 ABAQUS與Simsolid溫度場分布比較-左視圖
圖8 ABAQUS與Simsolid溫度場分布比較-俯視圖
圖9 封裝體中心線處的溫度分布比較
此外，還對ABAQUS與Simsolid計算得到的應力結果進行了比較。由于應力主要集中在芯片與封裝基體的連接處的熱點焊點，因此將本次比較的重點放到了該位置。圖10為兩種計算方法得到的熱點焊點的熱應力分布。熱應力的分布在兩種計算方法下均表現為靠近基板邊緣處的熱應力數值較高，基板中心處的熱應力數值低。對圖11所示的直線A與直線B方向上焊點的熱應力進行提取進行比較可以發現，Simsolid與ABAQUS計算得到的熱應力的數值差異很小，其結果的差異在9%以內。
圖10 ABAQUS與Simsolid熱點焊處置熱應力分布
圖11 ABAQUS與Simsolid熱點焊處置熱應力比較
Chapter 3 MCM-BGA封裝體的優化設計
基于前述分析，本節將對MCM-BGA封裝體進行優化設計，其準則應當是盡量降低封裝體運行時的溫度以及熱應力數值。優化設計的結構為封裝基板及熱接觸材料。通過改變其厚度進行熱分析與熱應力分析，得到不同模型下的溫度場及熱應力。模型建立過程與前述相同，在此不再闡述。
3.1 封裝基體的厚度對熱應力的影響
圖12為不同封裝基板厚度模型下計算得到的最高溫度及最大熱應力。從圖12可以看出，當封裝基板的厚度為1.1mm時，該封裝體在運行時的溫度最低，熱應力峰值最小，因此選擇封裝基板厚度為1.1mm更為合理。值得說明的是，不同封裝基板厚度下的最大熱應力均產生在芯片與封裝基板連接處的熱點焊位置，如圖13所示。
圖12 不同封裝基板厚度模型下的最高溫度及最大熱應力
圖13 不同封裝基板厚度模型下的最大熱應力位置
3.2散熱罩的厚度對對熱應力的影響
圖14為不同散熱罩厚度下的MCM-BGA封裝體上的溫度及熱應力結果。在進行分析時，設定封裝基板的厚度統一為1.1mm。可以看出，隨著散熱罩的厚度增加，封裝體運行時的最高溫度及熱應力的峰值不斷降低。散熱罩的厚度每增加1mm，封裝體的溫度下將約1℃左右。這是由于散熱罩的厚度增大，冷卻通道的表面積增大，使得封裝體散熱罩的散熱效果增加，因而封裝體運行時的最大溫度降低，熱應力也相應的降低。在實際設計過程中，因充分考慮散熱罩厚度增加造成的重量增加及芯片運行溫度的要求對散熱罩的厚度進行選擇。在本案例中選取散熱罩厚度為2.2mm時為最合理的方案。
圖14 不同散熱罩厚度下的MCM-BGA封裝體上的溫度及熱應力
結論
本案例通過使用Simsolid對MCM-BGA封裝體進行了熱分析及熱應力計算，主要得到了幾條結論：
1) 散熱罩厚度為2mm、基板厚度為1mm的MCM-BGA封裝體進行了熱分析得出封裝體運行時芯片及其附近的區域溫度較高，最高溫度為119.2℃；熱應力分析得到熱應力集中出現在熱點焊點位置，熱應力峰值為375.54MPa；
2) 使用ABAQUS對Simsolid的分析結果進行驗證，通過比較溫度場及熱應力分布云圖及提取數據點得出，Simsolid分析結果的準確性較高；
3) 通過Simsolid對該封裝體的基板進行優化設計，通過比較不同基板厚度下的峰值溫度及峰值熱應力得出最佳的基板厚度為1.1mm；
4) 在最佳基板厚度下，探究了不同散熱罩厚度下封裝體的峰值溫度及熱應力變化。結果表明，隨散熱罩厚度增加，封裝體的溫度較低。在實際設計過程中應結合多方面因素進行選取，本次案例中選擇最佳的散熱罩厚度為2.2mm。
參考文獻
[1] B L G A , A Y P X , B B D A , et al. Thermal management and structural parameters optimization of MCM-BGA 3D package model[J]. International Journal of Thermal ences, 147.
[2] 王宏偉. 集成電路芯片封裝熱應力分析[J]. 新余學院學報, 2006, 11(004):87-90.
完整模型：鏈接：https://pan.baidu.com/s/126zeLS8WEi6c3sdeUzw7Uw
提取碼：w0jw
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