Solidworks Simulation在半導(dǎo)體封裴設(shè)計中的應(yīng)用

0引言

隨著科技發(fā)展,電子產(chǎn)品有輕、薄、短、小的發(fā)展趨勢,半導(dǎo)體元器件微小化與空間壓縮成為必然,隨之而來的散熱和產(chǎn)品應(yīng)力問題顯得尤為重要。傳統(tǒng)的設(shè)計方法和流程存在周期長、成本高以及人力浪費等問題,把軟件模擬應(yīng)用到封裝產(chǎn)品設(shè)計中成為一個很有意義的研究課題。

1 SolidWorks Simulation簡介

solidworks軟件是世界上第一個基于windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng),由于技術(shù)創(chuàng)新符合CAD技術(shù)的發(fā)展潮流和趨勢,solidworks所遵循的易用、穩(wěn)定和創(chuàng)新三大原則得到了全面的落實和證明。使用它,設(shè)計師大大縮短了設(shè)計時間,新產(chǎn)品能快速、高效地投向市場。solidworkssimulation是一個與solidworks完全集成的設(shè)計分析系統(tǒng),提供了單一屏幕解決方案來進行應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析。

2封裝產(chǎn)品設(shè)計的應(yīng)用介紹

2.1熱阻和熱應(yīng)力定義

2.1.1熱阻

熱阻值用于評估電子封裝產(chǎn)品的散熱性能,涉及產(chǎn)品的熱可靠性,是封裝設(shè)計時需要考量的重要參數(shù)。示意圖如圖1所示。

按照一定的測試條件獲得的由芯片結(jié)面到固定位置的熱阻值(Rthjx）,其定義如下公式所示:

式中,Rthjx表示熱阻;7j為結(jié)面位置溫度;7x為熱傳到某點位置的溫度;P為輸入的發(fā)熱功率。

通常用Rthja表示在自然對流或強制對流條件下從芯片表面到環(huán)境中某一點的熱阻,即:

Rthja通常與封裝工藝、封裝所用材料、貼裝散熱板、熱輻射、空氣流動情況、系統(tǒng)環(huán)境等因素有關(guān)。

用Rthjc表示從芯片結(jié)面到封裝體表面的熱阻,即:

Rthjc通常用于評估封裝體散熱性能的優(yōu)劣,一般與封裝所用材料與封裝設(shè)計結(jié)構(gòu)相關(guān),一旦確定了材料與結(jié)構(gòu),Rthjc就會作為一個物理屬性不再改變。

2.1.2熱應(yīng)力

熱應(yīng)力是溫度變化時,物體由于外在約束以及內(nèi)部各部分之間的相互約束,使其不能完全自由脹縮而產(chǎn)生的應(yīng)力,又稱"變溫應(yīng)力"。

在國內(nèi)分離器件的失效比例中,大約有50%與電、熱應(yīng)力是有關(guān)系的,主要表現(xiàn)為參數(shù)失效、短/斷路等;國外的統(tǒng)計占比在70%左右,因而半導(dǎo)體分離器件的失效因素中,電、熱應(yīng)力被一致認為是主要因素。涉及熱應(yīng)力的計算非常專業(yè)復(fù)雜,在早期的半導(dǎo)體分離器件的設(shè)計中,主要是在實驗室做實驗得出數(shù)據(jù),從而找出最佳的設(shè)計方案。

隨著計算機運算技術(shù)的飛速發(fā)展,各種可以模擬仿真熱應(yīng)力的軟件設(shè)計開發(fā)成功,其中solidworkssimulation的模擬仿真功能在各領(lǐng)域的設(shè)計中被認可并得到使用,特別是在半導(dǎo)體分離器件設(shè)計中,可以在設(shè)置了外界溫度、封裝產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、黑膠選擇型號、支架尺寸結(jié)構(gòu)等各種條件后,仿真出熱應(yīng)力的分布,提供最接近實際條件的模擬數(shù)據(jù),給半導(dǎo)體設(shè)計帶來了很多的便利。

2.2熱阻的改善方法及介紹

不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在散熱/熱應(yīng)力等方面的反應(yīng)是不同的。在相同的外形尺寸條件下,不同的晶粒(熱源)放置位置、不同的導(dǎo)熱介質(zhì)及不同的散熱路徑均對產(chǎn)品性能有影響。

針對一種橋式產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)clip放置位置的設(shè)計有三種方案可供選擇,下面分別做模擬仿真。

如圖2所示,方案A左邊兩個clip和晶粒都放置在上方,第三個clip和晶粒在下方。

如圖3所示,方案B對稱放置,中間一個clip和晶粒放置在上方。

如圖4所示,方案C對稱放置,中間一個clip和晶粒放置在下方。

設(shè)定環(huán)境溫度為25℃,每顆晶粒輸入4.79w熱能(數(shù)據(jù)要求電流15A,按R6計算得出功率),在同樣的對流系數(shù)下,通過軟件模擬仿真,計算比較,C方案內(nèi)部結(jié)構(gòu)最優(yōu),能讓三顆晶粒的熱分布更均衡。數(shù)據(jù)對比如表1所示。

2.3熱應(yīng)力的改善方法及介紹

(1）針對sMA封裝尺寸的產(chǎn)品,對平臺支架內(nèi)部結(jié)構(gòu)變更,如支架(1eadframe）是否帶凸臺、c1ip形狀變更、搭配尺寸變更,做設(shè)計比對。

圖5為支架沒有凸臺時晶粒上應(yīng)力狀況的模擬仿真圖。

圖6為支架有凸臺時晶粒上應(yīng)力狀況的模擬仿真圖。

相同的外形結(jié)構(gòu),相同的材質(zhì),相同的軟件設(shè)定環(huán)境,僅支架上是否有凸臺一個變量(為保證c1ip對晶粒的影響最低,c1ip的高度重新設(shè)計）,改善前晶粒上熱應(yīng)力為MAx481.6MPa,改善后晶粒上熱應(yīng)力為Max304.6MPa,熱應(yīng)力降低了36.7%(經(jīng)驗建議如前后差別為5%,可歸為同一水平）。比較可知,使用帶凸臺支架的晶粒上熱應(yīng)力更小。但因不同的型號結(jié)構(gòu)不同,此類分析并不完全一致通用,不同的型號需要做針對性分析和模擬仿真。

3應(yīng)用舉例

以下借用NewTTPackage設(shè)計實例對設(shè)計過程做詳細介紹。

3.1初始方案仿真分析

如圖7所示,依據(jù)其熱阻性能(Rthjc）,其工作電流最多可以達到4A。為了提高其工作電流,同時提升其在同類型產(chǎn)品中的競爭力,我們需要對其進行重新設(shè)計。然而,提高工作電流對產(chǎn)品的散熱性能是個巨大的挑戰(zhàn),如果設(shè)計出現(xiàn)偏差,將來在客戶端使用時會有很大的隱患,因此我們考慮采用solidworkssimulation的熱仿真模塊對新設(shè)計的方案進行散熱分析,以確定在設(shè)計階段,新結(jié)構(gòu)或者新材料是否可以滿足設(shè)計需求。

采用solidworks建立如圖8所示的三維模型,并對晶片模型進行簡化。

仿真條件設(shè)定:環(huán)境溫度25℃:晶片功率9.54w(參考TT產(chǎn)品實測CTdata）:假設(shè)材料mount在15mm×12mm×1.6mm的散熱鋁塊上。

TT產(chǎn)品模擬中具體所要用到的材料物理系數(shù)如表2所示。

仿真結(jié)果與分析:通過對上述模型進行熱仿真分析,設(shè)定空氣自然對流條件下,獲得產(chǎn)品內(nèi)部的熱量分布情況以及晶片結(jié)面溫度7j=143.9℃,黑膠表面的平均溫度7c=132.6℃,如圖9和圖10所示。

依據(jù)上文所述熱阻計算公式,我們可以計算獲得Rthjc=1.18℃/w,通過查閱資料獲得現(xiàn)有TT4A產(chǎn)品Rthjc實測值為1.29℃/w,對比兩個熱阻值可以獲知新設(shè)計結(jié)構(gòu)在散熱性能方面有一定提升。

如前文所述,Rthjc通常與封裝所用材料與封裝設(shè)計結(jié)構(gòu)相關(guān),另外從散熱方向考慮,產(chǎn)品散熱大致有兩個方向,一個是熱量經(jīng)由黑膠上傳到空氣中,另一個是經(jīng)由引腳下傳到散熱片上再散播到空氣中,通常在自然對流情況下,由引腳下傳到散熱片的比例要高得多,基于這樣的分析,對設(shè)計方案作進一步改進。

3.2改進方案仿真分析

首先是封裝結(jié)構(gòu)的改進,增加了銅材的比例,充分利用材料內(nèi)部空間,盡量使熱能在材料內(nèi)部分布得更均勻,同時增加了引腳寬度,從原來的0.8mm加寬到1.4mm,計算得出引腳與散熱片接觸面積可增加約2.8倍,使其與散熱片的接觸面積更大,更有利于熱量從封裝體內(nèi)部散出。

如表3所示,對比幾款黑膠的導(dǎo)熱系數(shù),TH-G700導(dǎo)熱性最好。

仿真結(jié)果與分析:針對改進方案,同樣使用solidworks做熱仿真模擬,模擬結(jié)果對比如表4所示。

由表4可知,產(chǎn)品的散熱性能會有顯著提升,若不考慮失真情況,預(yù)計可以提升一倍。

4結(jié)語

從上述應(yīng)用舉例可以看出,不同的產(chǎn)品、不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計、尺寸差異、不同的材質(zhì)都會對產(chǎn)品的性能產(chǎn)生一定的影響。

在計算機上模擬仿真一些實際應(yīng)用情況,有助于在設(shè)計階段找出產(chǎn)品散熱性能方面的缺陷,保證產(chǎn)品品質(zhì)。通過熱仿真獲得的模擬數(shù)據(jù)具有參考價值,在設(shè)計研發(fā)新產(chǎn)品時,需盡可能從多方面去考慮,利用一些輔助工程軟件來進行分析:同時要讓別人也能清楚地了解到不同的設(shè)計對產(chǎn)品性能的影響,進而選擇最優(yōu)方案來設(shè)計新產(chǎn)品或改善現(xiàn)有產(chǎn)品。