封裝結構的案例
功率器件封裝結構熱設計綜述
華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室
原位 | DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.230136
摘要：半導體技術的進步使得芯片的尺寸得以不斷縮小，倒逼著封裝技術的發展和進步，也由此產生了各種各樣的封裝 形式。當前功率器件的設計和發展具有低電感、高散熱和高絕緣能力的屬性特征，器件封裝上呈現出模塊化、多功能化 和體積緊湊化的發展趨勢。為實現封裝器件低電感設計，器件封裝結構更加緊湊，而芯片電壓等級和封裝模塊的功率密度持續提高，給封裝絕緣和器件散熱帶來挑戰。在有限的封 裝空間內，如何把芯片的耗散熱及時高效的釋放到外界環境中以降低芯片結溫及器件內部各封裝材料的工作溫度，已成 為當前功率器件封裝設計階段需要考慮的重要問題之一。本文聚焦于功率器件封裝結構的散熱方面，針對功率半導體器件在散熱路徑方面的結構設計進行歸納總結。通過對國內外 功率器件封裝結構設計的綜述，梳理了功率器件封裝結構設計過程中在散熱方面的考慮及封裝散熱特點，并根據功率器 件散熱特點對功率器件封裝結構類型進行了分類。最后，基于降低封裝結構散熱熱阻、提高器件散熱能力的目的，從高導熱封裝材料和連接工藝、芯片面接觸連接、增加散熱路徑 以及縮短散熱路程四個方面對功率器件封裝結構設計在散熱方面未來的發展趨勢進行了展望。
展開 芯片封裝結構的散熱分析
隨著封裝結構越來越小型化，我們越來越需要仔細評估芯片封裝結構的散熱效應，對于產品可靠性的影響。以及相關熱應力對于芯片性能的影響。設計出合理的散熱封裝結構可以有效的提高產品性能，本文以常見BGA封裝結構為例，采用ANSYS穩態散熱對封裝結構進行分析。雖然模型很簡單，但是對于封裝結構的優化設計很有幫助。
一、模型
BGA的模型主要有芯片，基板，EMC，焊球，粘結層等組成，在建模的時候，我省略了一部分。
二、因主要考慮穩態的散熱問題，計算量不大，因此可以采用全模型進行分析。
三、對以上各層材料都賦予材料參數，熱導率可由材料供應商出獲得；
四、熱源主要為芯片產生的熱，可以根據功率和芯片面積進行換算。本例子中，芯片的熱生產率設定為0.075w/mm^2;
五、熱對流換熱系數設定為2e-4 w/(mm^2*K)
六、模型外面還會通過輻射進行散熱，可以設定底部或者上部材料的黑度值為0.9；
七、環境溫度設置為22C；
八、計算的結果如下：
可以看出，在該工作功率下，芯片的溫升僅為31C。
展開 PCB/封裝建模：增強單元進一步提高電子產品結構可靠性仿真精度
在電子產品仿真中，PCB/封裝結構的建模準確性一直是影響仿真速度和精度的關鍵因素。
Ansys 一直致力于該功能研發，例如 Trace mapping 局部材料等效方法，可以快速高效地對PCB/封裝結構進行等效建模。
而Ansys 增強單元則進一步提升PCB/封裝結構建模的準確性，從而提高電子產品結構可靠性仿真精度。
PCB及封裝結構熱應力協同仿真新功能及應用實例培訓
PCB及封裝結構熱應力協同仿真新功能及應用實例，時間：2017年6月21日，晚上8:00： http://event.31huiyi.com/615702442
Ansys在芯片/封裝結構熱力可靠性方案
封裝結構的熱力可靠性方案
Influence of flip-chip attachment process on IC
Moisture Diffusion\Moisture Stress
Thermal Cycling\Thermal Stresses
Solder Joint Reliability
Shock Analysis
Drop Test
Crack Initiation and Crack Growth
Multi-physics Reliability
Warpage Analysis
Model import
Thermal
Stress
Stress and Strain Analysis of Solderball
Additional Solution for the fatigue performance of solderball
3DIC熱力設計解決方案
深圳市優飛迪科技有限公司成立于2010年，是一家專注于產品開發平臺解決方案與物聯網技術開發的國家級高新技術企業。
展開 SiC 雙面散熱封裝結構傳熱性能分析
基于以上模型對封裝結構的傳熱性能進行穩態分析，通過對不同封裝材料的功率模塊進行瞬態分析得出模型應使用的較佳材料，最終研究了燒結銀焊層厚度對功率模塊結溫的影響，為 SiC 雙面散熱功率模塊的設計提供了參考。
一、 引言
近年來，以碳化硅（Silicon Carbide, SiC）器件為代表的第三代功率半導體技術在電動/混動汽車、新能源發電、5G 通信裝備以及航空航天等微系統封裝集成應用方面呈現 出巨大的潛在應用價值和前景。發展針對 SiC 器件工作特點的模塊封裝技術已經成為電 子封裝領域的重要研究課題和產業界的迫切需求。
由于各種材料的限制，硅基功率器件在許多方面已經達到其材料的理論極限，目前所存在的功率模塊封裝技術大部分都是 為硅基功率模塊設計，將其直接應用于 SiC 功率模塊，會出現使用頻率、散熱、可靠性等多方面帶來的新挑戰。本文從熱角度分析 SiC 技術設計方案的關鍵影響因素，這為發展針對 SiC 器件工作特點的高可靠互連封裝技術提供參考依據。
展開 南大《AFM》：一種具有真空封裝結構的多相催化劑！
來自南京大學的學者成功地制備了一種具有真空封裝結構的多相催化劑(rGO@FexP/C)，其中碳支載的磷化鐵(FexP/C)緊密覆蓋在相互連接的還原石墨烯(rGO)片層中。反應后rGO@FexP/C的溶解鐵濃度僅為裸FexP/C(14.6mgL?1)的3.37%，而rGO@FexP/C對磺胺甲惡唑(10mgL?1)的降解性能優于FexP/C。對不同外層厚度和不同形貌結構的rGO@FexP/C的研究表明，rGO@FexP/C獨特的結構對磺胺甲惡唑(10mgL-1)的降解起決定性作用。這種超薄碳層中的多級磷化鐵復合材料作為有效的多相電芬頓催化劑，具有突出的穩定性和催化活性。相關文章以“Hierarchical Iron Phosphides Composite Confned in Ultrathin Carbon Layer as E?ective Heterogeneous Electro-Fenton Catalyst with Prominent Stability and Catalytic Activity”標題發表在Advanced Functional Materials。
展開 功率模塊雙面散熱介紹
2）消除線鍵也消除了傳統電源模塊封裝中的主要故障模式之一，因此，雙面冷卻模塊的功率循環能力和可靠性已被證明比單面冷卻模塊提高了一個數級，從而延長了使用壽命。
3）提高了電源模塊的電氣性能。雙面冷卻封裝需要平面電源封裝，從而使電流環路面積最小化。這減少了電寄生電感，優化了更大的鍵合面積而導致的電阻降低，由于其較低的寄生電感和較高的封裝密度，無線鍵合配置是碳化硅器件的關鍵。
圖2雙面散熱IGBT封裝結構
雙面散熱技術現狀
1）日立雙面水冷散熱結構：
封裝結構：
l 芯片：由兩組功率元件串聯而成，采用二合一半橋封裝。考慮到針翅面積大概只有6cm×4cm，在每個組件內留給IGBT和續流二極管的位置只有2cm×4cm，所以懷疑其在混動車型上的應用每個開關只包含一片IGBT和一片續流二極管，而在大功率純電動車型上每個開關包含2片并聯的IGBT和續流二極管。2組單元內的IGBT同向放置。IGBT芯片來源可能是富士，也有可能是日立自己。
l 電氣連接：為實現平面封裝，芯片兩側都采用常規的錫焊連接，并沒有采用最新的納米銀漿燒結工藝，因此后面應對碳化硅的高溫應用場景可能會有一定挑戰。
展開 5G仿真解決方案 | 電子產品結構可靠性設計及案例詳解
通過以上濕度擴散和耦合單元，可以獲得封裝結構濕度分布和濕應力狀態，用于找出封裝結構薄弱區域。參考GB2423.3-93等行業標準，可以對封裝在濕度環境下進行試驗，采用Ansys解決方案可以再現該濕度測試試驗。
封裝中濕度濃度分布
封裝中濕應力引起的應變
2.3
PCB/封裝器件在振動沖擊作用下失效
在某些情況下，振動沖擊所引起的部件失效也會成為封裝結構主要的失效原因，同時封裝結構在受到沖擊的同時，也會受到熱應力的影響。如何同時評估熱應力和振動的影響，得到封裝結構的損傷，最終得到封裝使用壽命是一個需要重點考慮的方向。
對于振動分析，材料屬性也非常關鍵。類似于溫度循環分析，同樣可以采用Ansys “Trace Mapping”來等效計算封裝的材料屬性，對于封裝結構在有熱應力作用下分析，可以在Ansys Workbench采用以下流程進行計算：
考慮熱應力的振動仿真流程
對于PCB/封裝的熱分析，可以采用Ansys Mechanical中的熱模塊計算，得到PCB/封裝結構的溫度分布。溫度分布結果可以無縫傳遞到結構分析模塊，計算得到溫度所引起的熱應力分布。預應力結果同樣可以無縫傳遞到模態分析中，改變結構的剛度，從而改變PCB/封裝的整體振動特性。
通過以上流程，我們可以盡量考慮溫度對振動特性的影響。如果要分析隨機振動疲勞，在該流程中也能實現：
隨機振動疲勞仿真
在隨機振動后處理中，插入疲勞模塊，就可以進行隨機振動計算。默認使用電子行業主流的Steinberg隨機振動疲勞模型。
展開 快速實現電子產品可靠性分析的方法，看這里
利用電子封裝可靠性軟件內置的模型，實現了快速參數化建模，仿真計算得到了溫度沖擊循環條件下焊球的應力、應變、蠕變應變能密度，通過基于能量的Darveaux公式分析得到了焊球溫度沖擊疲勞壽命。
案例2：封裝結構隨機振動可靠性分析
某BGA封裝結構需要分析結構在隨機振動環境下的可靠性，利用電子封裝可靠性軟件快速完成了結構的建模和網格劃分，基于隨機振動求解完成了結構隨機振動分析，在分析結果的基礎上，采用軟件后處理模塊得到了結構的隨機振動疲勞壽命。
強沖擊條件下MEMS封裝可靠性有限元分析
在強沖擊載荷(104g或更高，g為重力加速度)作用下，彈載微電子機械系統(Micro electro-mechanical system，MEMS)(如陀螺儀或加速度計)及電子器件的封裝和互連結構失效是影響整彈可靠性及其任務成功性的重要因素。利用有限元建模和動態響應仿真分析方法對強沖擊條件下板級微電子機械系統封裝結構的可靠性問題及其影響因素進行研究。有限元動態響應分析方法針對MEMS陀螺儀的典型封裝結構——無引腳芯片載體進行。分析過程中焊點材料選取更接近工程實際的雙線性隨動硬化材料模型，詳細分析相關敏感因素對焊點互連結構可靠性的影響，并給出提高封裝結構可靠性的工程設計建議。
強沖擊條件下MEMS封裝可靠性有限元分析.pdf
展開 
如何提高電子產品的結構可靠性？
一、芯片、封裝、PCB結構分析
主要針對半導體、封裝、電子控制行業中芯片、封裝PCB結構受力變形分析
芯片、基板翹曲變形（聯合電磁-熱-力耦合）
基板結構顯式動力學可靠性（跌落碰撞）
封裝PCB結構制造工藝設計（FC工藝、熱壓焊接等）
封裝PCB結構熱力可靠性（溫循）
封裝PCB結構中焊球蠕變和壽命分析
封裝PCB結構濕度擴散和濕應力分析
封裝PCB的結構動力學可靠性（模態、隨機振動）
封裝結構顯式動力學可靠性（跌落碰撞）
二、5G電子產品結構可靠性
主要針對手機、濾波器等整機產品結構可靠性
手機揚聲器性能優化（優化頻響曲線，減少雜音，優化音腔結構）
手機整機多點彎曲試驗
手機整機扭轉彎曲試驗
手機整機跌落測試
體聲波濾波器（BAW）可靠性
聲表面波濾波器（SAW）可靠性
三、Ansys Sherlock在電子產品失效性分析中的應用
Sherlock是唯一使用失效物理進行電子產品壽命和失效分析的產品，兼顧精度和效率，在電子行業失效分析中有很強競爭力
Sherlock分析封裝PCB諧響應、隨機振動壽命和失效概率
Sherlock分析封裝PCB瞬態沖擊壽命和失效概率
Sherlock分析封裝PCB溫循壽命和失效概率
Sherlock分析封裝PCB中焊球壽命和失效概率
Sherlock電路板插拔和彎曲測試
Sherlock對芯片損耗壽命和失效分析（介質擊穿、BTI、熱載流子注入、電遷移）
Sherlock結合Workbench進行系統電子產品壽命和失效分析（諧響應、隨機振動、瞬態沖擊、熱力、焊球失效等工況）
時下先進的2.5D/3D IC封裝技術，包括通過硅通孔（TSV）、管芯和晶片堆疊、系統封裝SiP等，將成為5G芯片封裝設計的主流選擇
展開 FCBGA封裝的 CPU 芯片散熱性能影響因素研究
同時，芯片集成化和小封裝的需求也不斷增長，這就導致了芯片的功率密度(單位面積的功耗)越來越高，因此芯片散熱問題日趨嚴峻。芯片散熱是將芯片晶圓產生的熱量傳遞到外界環境中去,主要通過對流、傳導和輻射3種換熱形式進行。
圖1 服務器CPU功耗增長趨勢
02
CPU 散熱方式
對于FCBGA(Flip Chip Ball Grid Array)倒裝球柵陣列封裝的CPU芯片來說，通常有2個傳熱路徑：一部分熱量通過封裝底面的焊盤傳導至主板上進行散熱；另外一部分熱量通過封裝頂面傳導至散熱器，再由散熱器向外界環境散熱。根據FCBGA封裝的結構特性和相關研究表明，約90%以上的熱量是通過封裝頂面傳導至散熱器進行散熱。因此，為提高芯片散熱效率，需要盡量減少芯片晶圓到外界環境的散熱熱阻。如圖2所示，為某FCBGA封裝的CPU傳熱結構和傳熱熱阻鏈路示意圖。
展開 碳化硅芯片封裝工藝中那些“難念的經”
2.5D 和 3D 模塊封裝結構
為進一步降低寄生效應，使用多層襯底的 2.5D 和3D 模塊封裝結構被開發出來用于功率芯片之間或者功率芯片與驅動電路之間的互連。在 2.5D 結構中，不同的功率芯片被焊接在同一塊襯底上，而芯片間的互連通過增加的一層轉接板中的金屬連線實現，轉接板與功率芯片靠得很近，需要使用耐高溫的材料，低溫共燒陶瓷（LTCC）轉接板常被用于該結構，圖 4[7]為一種 2.5D 模塊封裝結構。
而在 3D 模塊封裝結構中，兩塊功率芯片或者功率芯片和驅動電路通過金屬通孔或凸塊實現垂直互連，圖 5[8]是一種利用緊壓工藝（Press-Pack）實現的 3D 模塊封裝，這種緊壓工藝采用直接接觸的方式而不是引線鍵合或者焊接方式實現金屬和芯片間的互連，如圖 5 所示，該結構包含3 層導電導熱的平板，平板間放置功率芯片，平板的尺寸由互連的芯片尺寸以及芯片表面需要互連的版圖結構確定，整個結構的厚度一般小于 5 mm。圖示封裝結構有限元模擬的表面結果，其寄生電感僅 0.86 nH。
圖6[9]是另一種 3D 模塊封裝結構，該結構通過低溫共燒陶瓷工藝，實現了功率芯片和驅動電路的垂直互連，該結構還可以方便地將被動元件集成在低溫共燒陶瓷襯底上。
02
功率器件散熱方面高要求帶來的問題
SiC 功率器件在散熱方面具有更高的要求。SiC 器件可以工作在更高的溫度下，在相同功率等級下，其功率模塊較 Si 功率模塊在體積上大幅降低，因此對散熱的要求就更高。如果工作時的溫度過高，不但會引起器件性能的下降，還會因為不同封裝材料的熱膨脹系數（CTE）失配以及界面處存在的熱應力帶來可靠性問題。
展開 工業APP大賽獲獎案例，芯片封裝可靠性評估專業系統
芯片封裝可靠性評估系統是安世亞太在2020中國工業APP創新應用大賽最佳行業創新應用獎獲獎案例。系統通過對芯片封裝可能發生的失效模式進行分析、計算和預測，對產品進行可靠性評估，從而縮短研發時間、提高研發效率，降低研發成本。
開發背景
芯片的封裝過程非常復雜，封裝技術是制約芯片發展的關鍵環節之一。芯片等電子產品在設計、封裝等過程均可能產生缺陷，并最終導致產品在工作狀態中發生失效。其中，與封裝相關的失效模式主要有翹曲、分層、塑性形變、開裂、焊球疲勞等。
為了確保芯片封裝的可靠性，需要在產品研發階段就對可能發生的失效模式進行分析、計算和預測，對其進行可靠性評估，進而避免產品帶缺陷“上崗”。
由于芯片封裝的形式多樣、工藝復雜，不同失效模式的分析計算流程、方法不盡相同，評價指標各異，且涉及到結構、熱以及注塑等多個學科方向，為了規范分析計算的流程，提高分析計算的效率，保證分析計算的精度，經過多個項目的實踐和驗證，最終開發完成了芯片封裝可靠性評估系統。
系統功能及特點
芯片封裝可靠性評估系統以設計人員為主要用戶對象，具體功能包括：基于參數庫的芯片不同封裝形式結構參數匹配及快速建模、芯片封裝翹曲計算與評估、芯片封裝應力計算與評估、板級可靠性評估、焊球疲勞分析與評估、PCB布線數據導入、多方案對比及DOE、基于封裝結構的材料參數匹配等。
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