1.摘要：本文基于PERA SIM Fluid仿真軟件分析電子封裝流動換熱問題，涵蓋了從幾何導(dǎo)入、網(wǎng)格劃分、求解設(shè)置到結(jié)果后處理的完整仿真流程。計算采用布辛尼斯克（Boussinesq）假設(shè)得到自然對流條件下封裝體溫度場及流場分布，通過設(shè)置接觸熱阻考慮導(dǎo)熱膠的影響。根據(jù)封裝材料屬性、輸入功率、空氣對流換熱系數(shù)等邊界條件，從幾何導(dǎo)入及修復(fù)開始，到網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置，到最后結(jié)果后處理，最終得到分析結(jié)果，實現(xiàn)了電子封裝完整熱分析過程。分析得到的封裝表面溫度和對流換熱效率對封裝設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：電子封裝；自然對流；流熱耦合；熱設(shè)計

點擊下方視頻，查看精彩案例演示

2.引言

芯片封裝作為設(shè)計和制造電子產(chǎn)品開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一，是半導(dǎo)體行業(yè)關(guān)注和重視的重點。封裝的作用主要有保護電路免受外界環(huán)境的影響、避免噪聲信號的污染，屏蔽外場的串擾，支撐封裝體內(nèi)機械機構(gòu)、電氣互連，緩解封裝體內(nèi)部的機械應(yīng)力，提供從封裝體內(nèi)功率器件到外界環(huán)境的熱傳遞路徑，使芯片間的引線從封裝體牢固地引出而非直接裝配在基片上等功能。

半導(dǎo)體技術(shù)按摩爾定理的發(fā)展，集成電路的密度將越來越高，且尺寸越來越小。所有芯片工作時都會發(fā)熱，熱量的累積必導(dǎo)致結(jié)點溫度的升高，隨著結(jié)點溫度提高，半導(dǎo)體元器件性能將會下降，甚至造成損害。為了保證元器件的結(jié)溫低于最大允許溫度，經(jīng)由封裝進行的從 IC 自身到周圍環(huán)境的有效散熱就至關(guān)重要。

本文基于PERA SIM Fluid仿真軟件實現(xiàn)了電子封裝熱分析的完整流程，從導(dǎo)入幾何模型開始，到劃分多面體混合網(wǎng)格、設(shè)置材料參數(shù)和邊界條件，隨后采用多核并行計算并得到最終溫度場結(jié)果。分析得到的封裝表面溫度和對流換熱效率對封裝設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

3.模型建立

3.1 封裝模型

本文研究對象為某電子封裝，其幾何尺寸較小，尤其是結(jié)構(gòu)厚度與其長度之比差異大，主要結(jié)構(gòu)包括：封裝基底、CPU、電容、封蓋、導(dǎo)熱硅膠、四角支撐等，模型最小尺寸在0.1375mm。

3.2 模型導(dǎo)入

導(dǎo)入stp格式的封裝幾何模型，該模型同時包含封裝產(chǎn)品和計算域。封裝幾何模型如圖1所示。

圖1 模型及計算區(qū)域

4.網(wǎng)格劃分及邊界條件

4.1 網(wǎng)格劃分

考慮計算經(jīng)濟型與結(jié)果準確性，采用全局控制結(jié)合局部尺寸控制方式劃分面網(wǎng)格，并添加密度盒保證封裝周圍網(wǎng)格大小。面網(wǎng)格最大尺寸為12mm，最小尺寸為0.1mm。對電容、封蓋和芯片等部件局部控制約束，局部尺寸分別為0.1mm、0.3mm和0.2mm。密度盒以封裝為中心，在X、Y、Z方向擴展2mm，密度盒內(nèi)最大尺寸1mm，最小尺寸0.1mm，并控制網(wǎng)格增長率為1.1。

體網(wǎng)格類型選擇多面體和邊界層的混合網(wǎng)格，邊界層的厚度為0.035mm。在需要生成邊界層的壁面上定義邊界層的層數(shù)、第一層層高和增長率，生成多面體和邊界層的混合網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)量最后在186w左右，網(wǎng)格分布如圖2所示。

圖2 計算域網(wǎng)格分布

4.2 材料定義

計算模型含有不同材料，根據(jù)封裝內(nèi)不同結(jié)構(gòu)設(shè)置相應(yīng)材料屬性，相關(guān)參數(shù)如下表所示：

表1 計算涉及到的不同材料屬性

4.3 邊界條件

采用穩(wěn)態(tài)計算自然對流條件下封裝溫度場，環(huán)境溫度設(shè)為25℃，考慮重力作用，重力加速度在y向上為-9.81m/s2，采用Boussinesq假設(shè)計算，熱膨脹系數(shù)設(shè)為0.00367。開啟能量方程，湍流模型使用k-w SST。壓力速度耦合采用Couple算法，空間離散格式均為二階格式，開啟偽瞬態(tài)方法。

計算域邊界均為壓力邊界條件，底面設(shè)置為壓力入口，相對壓力設(shè)置為0 Pa，側(cè)面與上表面為壓力出口邊界條件。熱源為封裝基底上的5個CPU，發(fā)熱功率通過設(shè)置功率密度大小給定，封裝總功率為1.25W。

CPU 1和CPU 2與封蓋直接接觸，但實際會在表面涂敷導(dǎo)熱硅膠，為考慮導(dǎo)熱膠影響，在耦合面上添加面接觸熱阻，使計算更準確。

5.計算結(jié)果分析

5.1 計算分析設(shè)置

計算迭代的殘差收斂標準設(shè)置為1e-3。創(chuàng)建對發(fā)熱工件CPU1的溫度監(jiān)測，作為隨著計算迭代更新的監(jiān)測值，輔助判斷計算的收斂情況。計算開始后，通過殘差曲線和監(jiān)測曲線來查看計算的收斂情況，殘差降至10-3左右，溫度監(jiān)測值平穩(wěn)不再變化，表明計算結(jié)果收斂。

5.2 計算結(jié)果

計算完成后，通過PERA SIM Fluid可直接進行后處理分析，監(jiān)測曲線可以輸出部分關(guān)注的分析結(jié)果，如監(jiān)測點溫度、速度等。也可以通過云圖、矢量圖、流線等方式對仿真結(jié)果進行可視化的分析：

圖3 切片速度云圖

圖4 切片溫度云圖

圖5 封裝表面溫度云圖

從以上的分析結(jié)果可以得知，在此功耗條件下，封裝表面溫度最大在44.8℃左右，其中左上角處芯片表面溫度最高。由于芯片位置、熱耗以及自然對流作用影響，周圍空氣會帶走一部分熱量，使得芯片整體呈現(xiàn)出上半部溫度高，底部溫度低的溫度分布特征。

6.結(jié)論

本文用國產(chǎn)仿真軟件PERA SIM Fluid對電子封裝模型進行了溫度場、流場分析，得到了自然對流條件下封裝表面溫度分布，為芯片封裝設(shè)計和電子產(chǎn)品制造開發(fā)提供了一定的參考信息。

可以看出，作為一款國產(chǎn)仿真軟件，PERA SIM Fluid支持耦合換熱方面的計算，能幫助分析封裝級流動換熱問題。從模型修復(fù)、網(wǎng)格劃分、材料定義到分析求解和結(jié)果后處理，功能完善，計算分析流程完整。

作者：安世亞太工程師 鄭哲輝