MCM集成电路和红外探照灯传热性能数值分析研究

论文摘要

目前电子器件不断朝着高集成、大功率的方向发展。由于集成电路的发热量迅速提升,热应力以及模块的翘曲变形也不断增大,造成多种芯片失效形式。同样的,在电子系统中,系统内电子元件的故障率随温度的升高呈指数关系而增加。所以,对电子封装器件,以及电子系统进行热分析是一个具有重要意义的研究领域。本文针对典型的多芯片MCM模块,建立了三维有限元数值分析模型。研究了多芯片MCM模块的残余应力与翘曲变形,分析了相关的几何参数对残余应力以及翘曲变形的影响,讨论了MCM结构中焊点的疲劳失效问题。针对某LED红外探照灯系统,根据具体的技术要求,进行了结构设计以及传热性能数值模拟,讨论了降低设备内各关键平面温度的冷却方式。论文的各章节内容安排如下:第一章概述了电子封装技术的发展与研究现状,及LED红外探照灯的研究背景。第二章介绍了相关有限元理论,其中在热应力有限元理论方面介绍了稳态、瞬态传热原理以及热应力的计算。数值传热学的有限元理论介绍了耦合传热以及流体动力学的数值模拟方法。第三章对ANSYS有限元分析软件进行了介绍,并总结了本文用到的相关模块。第四章对多芯片MCM模块进行了可靠性分析。主要分析了加装热沉前后的MCM模块的残余应力与翘曲变形,分析了芯片间距和部分部件的厚度对残余应力和翘曲变形的影响以及焊点的疲劳失效问题。第五章对LED红外探照灯的结构传热性能进行了数值分析。设计了一台LED红外探照灯,并对它的传热性能进行了模拟,数值结果与实验值的比较验证了所建模型的可靠性。对探照灯结构进行了优化设计,改进了探照灯结构并进行了相应的数值模拟与优化工作。最后探讨了在强制风冷情况下探照灯内的温度场和流场分布。本章内容为提高LED红外探照灯的可靠性和冷却方式设计提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1. 1 电子封装概述
• 1. 1. 1 电子封装的发展
• 1. 1. 2 集成电路失效模式与封装可靠性
• 1. 1. 3 国内外研究概况与发展趋势
• 1. 2 LED红外探照灯课题简介
• 1. 2. 1 LED的发展与应用前景
• 1. 2. 2 LED电子系统的研究状况
• 1. 2. 3 本文LED红外探照灯的研究背景
• 1. 3 本文的主要研究内容
• 2 热应力有限元分析及数值传热学有限元分析理论
• 2. 1 热应力有限元分析的基本理论
• 2. 1. 1 热传导偏微分方程
• 2. 1. 2 稳态热传导有限元格式
• 2. 1. 3 瞬态热传导有限元格式
• 2. 1. 4 热应力的计算
• 2. 2 数值传热学有限元分析理论
• 2. 2. 1 数值传热学的基本方程
• 2. 2. 2 数值传热学中常用数值方法简介
• 2. 2. 3 耦合传热的数值模拟
• 2. 2. 4 流体流动的有限单元法
• 3 ANSYS有限元分析软件介绍及相关分析模块
• 3. 1 ANSYS软件概述
• 3. 1. 1 ANSYS一般分析步骤
• 3. 1. 2 ANSYS数据接口程序
• 3. 1. 3 ANSYS最新版本ANSYS9. 0的技术特点
• 3. 2 本文相关的ANSYS分析模块
• 4 MCM多芯片组件的可靠性分析
• 4. 1 电子封装结构中的可靠性理论
• 4. 1. 1 线弹性理论
• 4. 1. 2 粘塑性焊点的Anand本构方程
• 4. 1. 3 焊点在热循环条件下疲劳失效分析
• 4. 2 MCM多芯片组件模型介绍
• 4. 3 没有热沉的MCM模型的热力学分析
• 4. 4 带热沉的MCM模型的热力学分析
• 4. 5 焊点的应力应变响应和疲劳寿命分析
• 4. 6 本章小结
• 5 LED红外探照灯结构传热性能数值分析研究
• 5. 1 LED红外探照灯的结构设计与数值模拟分析
• 5. 1. 1 红外探照灯的结构设计
• 5. 1. 2 实验数据的测量
• 5. 1. 3 LED红外探照灯结构传热数值模拟
• 5. 2 LED红外探照灯初始结构的优化设计
• 5. 2. 1 芯片模块在控制电路PCB板上位置的优化设计
• 5. 2. 2 箱体、LED电路板、控制电路板厚度的优化设计
• 5. 3 红外探照灯结构的改进及其优化设计
• 5. 3. 1 模型的改进方案
• 5. 3. 2 改进结构的有限元数值模拟
• 5. 3. 3 改进结构的优化设计
• 5. 4 LED红外探照灯气固耦合传热与流动数值模拟
• 5. 4. 1 气固耦合数值模拟模型的建立
• 5. 4. 2 气-固耦合结果分析
• 5. 5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文和获奖情况
• 致谢
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