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QFN器件的热可靠性与散热分析

2020-12-08阅读(365)

QFN器件的热可靠性与散热分析

论文摘要

环氧模塑封（EMC）材料已广泛应用于微电子封装,为集成电路芯片提供机械支撑并保护集成电路芯片免受化学危害。EMC的力学行为不仅依赖于温度,而且还具有强烈的时间依赖性,只有正确地表征材料的粘弹性特性,才能在有限元分析中得到较为准确模拟结果。本文依托于国家自然科学基金项目“微电子封装中的界面层裂失效和界面强度可靠性设计方法”,对四方扁平无引脚封装（QFN）器件进行了结构尺寸参数优化和分析。任何电子器件及电路在使用过程中都不可避免地伴随有热量的产生,提高电子产品的可靠性和电性能,就必须改善器件的散热,使热量尽可能减少。目前对器件级散热分析的文章较少,但对微电子封装器件的散热研究又十分必要,本文选用四方扁平无引脚封装器件进行了散热分析。本文首先利用“微纳米电子封装技术中心”的动态机械分析仪测试环氧模塑封（EMC）材料的储能模量E′、损耗模量E″以及损耗角正切tanδ等参数,使用热机械分析仪测定了环氧模塑封试样随温度变化的尺寸变化量,通过拟合获得了有限元软件所需的粘弹特性参数。许多研究论文为了简便,常将EMC简化为仅与温度相关的弹性材料或弹性材料,但EMC其实为粘弹性材料,为了说明EMC基于三种材料模型（粘弹性、仅与温度相关的弹性、弹性）时的区别,本文通过有限元软件MSC.Marc分别模拟了QFN器件在温度循环过程中的最大热应力及翘曲变形程度,并分析了热膨胀系数对封装器件最大热应力和翘曲变形的影响。选定QFN器件的八个结构尺寸参数,利用统计学分析软件MINITAB,基于析因实验设计,得到了影响器件最大热应力和翘曲变形的显著因素;借助工程学中广泛使用的Design-Expert 7.1软件,得到了最大热应力、翘曲变形的回归方程,并基于响应曲面法分析了交互作用对最大热应力和翘曲变形的影响。使用电子系统散热仿真软件FLOTHERM,分析了自然对流情况下QFN组件的散热方式,并研究了强制对流对QFN器件最大结温的影响。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 微电子封装技术及其发展趋势
  • 1.1.1 微电子封装技术介绍
  • 1.1.2 微电子封装的发展趋势
  • 1.2 论文研究的背景及意义
  • 1.3 论文研究现状
  • 1.3.1 环氧模塑封材料研究现状
  • 1.3.2 QFN 器件的研究现状
  • 1.3.3 元器件级散热分析研究现状
  • 1.4 主要研究内容与创新点
  • 1.4.1 论文主要研究内容
  • 1.4.2 论文主要创新点
  • 第二章 基础理论与数学模型
  • 2.1 粘弹性材料的本构模型
  • 2.1.1 两种基本模型
  • 2.1.2 广义麦克斯韦模型
  • 2.2 热应变和热应力理论
  • 2.2.1 热应力
  • 2.2.2 热应变
  • 2.3 热管理学基础理论
  • 2.3.1 导热
  • 2.3.2 对流
  • 2.3.3 辐射
  • 2.4 析因实验设计
  • 2.4.1 析因设计的优点
  • 2.4.2 二因素析因设计
  • 2.4.3 一般的析因设计
  • 2.5 响应曲面法
  • 2.6 本章小结
  • 第三章 环氧模塑封材料的参数测定实验
  • 3.1 高聚物的粘弹性
  • 3.2 时间-温度等效原理
  • 3.3 DMA 实验
  • 3.3.1 实验设备及试样
  • 3.3.2 实验方法
  • 3.3.3 实验数据及处理
  • 3.4 TMA实验
  • 3.4.1 实验设备及试样
  • 3.4.2 实验方法
  • 3.4.3 实验数据处理
  • 3.5 本章小结
  • 第四章 EMC 材料特性对QFN 器件热应力与翘曲的影响
  • 4.1 QFN 的有限元模型
  • 4.1.1 QFN 实物模型
  • 4.1.2 有限元模型构建
  • 4.1.3 材料特性
  • 4.1.4 温度循环加载条件
  • 4.1.5 有限元模型的边界条件
  • 4.2 EMC 材料参数对QFN 热应力的影响
  • 4.2.1 EMC 粘弹特性对热应力的影响
  • 4.2.2 热膨胀系数对热应力的影响
  • 4.3 EMC 材料参数对QFN 翘曲变形的影响
  • 4.3.1 EMC 粘弹特性对翘曲变形的影响
  • 4.3.2 EMC 热膨胀系数对翘曲变形的影响
  • 4.4 本章小结
  • 第五章 基于响应面法的QFN 结构尺寸参数优化
  • 5.1 析因实验设计
  • 5.1.1 最大热应力分析
  • 5.1.2 翘曲变形分析
  • 5.2 基于响应曲面法的参数优化分析
  • 5.2.1 最大热应力响应曲面分析
  • 5.2.2 翘曲变形响应面分析
  • 5.3 本章小结
  • 第六章 基于CFD 的QFN 器件散热分析
  • 6.1 FLOTHERM 简介
  • 6.2 QFN 器件模型
  • 6.2.1 器件模型
  • 6.2.2 求解域的设定
  • 6.2.3 初始条件及材料参数
  • 6.2.4 网格划分
  • 6.3 自然对流情况下参数影响分析
  • 6.3.1 自然对流情况下散热分析
  • 6.3.2 环境温度对散热性能的影响
  • 6.3.3 PCB 板大小对对温度的影响
  • 6.3.4 PCB 板铜含量对芯片最高结温的影响
  • 6.4 基于强迫对流的芯片结温分析
  • 6.5 本章小结
  • 第七章 总结与展望
  • 7.1 本文研究总结
  • 7.2 后续研究与展望
  • 参考文献
  • 附录
  • 致谢
  • 作者在攻读硕士期间主要研究成果

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