李灶鵬

（北華航天工業(yè)學(xué)院電子與控制工程學(xué)院，河北 廊坊 065000）

0 引言

方形扁平式封裝 （QFP：Quad Flat Package）技術(shù)應(yīng)用廣泛，在封裝CPU時操作簡單、方便，可靠性高，是現(xiàn)在表面貼裝型多端子大規(guī)模集成電路 （LSI）封裝的最主要的形式，在Motorola和Inter等很多大公司中得到了越來越多的應(yīng)用。21世紀(jì)的印刷電路板 （PCB）應(yīng)該滿足輕、小、薄和價格低廉且性能優(yōu)異的要求[1]。電子封裝器件在服役過程中，會隨著電路周期性的通與斷和環(huán)境溫度周期性的變化而發(fā)生變化，QFP器件將承受著溫度循環(huán)的過程。最終實踐證明，元器件隨著溫度的變化會出現(xiàn)10℃法則現(xiàn)象，也就是說，元器件的實際工作溫度每升高10℃，其失效率就會相應(yīng)地增大1倍左右，所以，即便溫度只降低了1℃，對電子設(shè)備而言，其失效率也會降低一個非?？捎^的量值。溫度已經(jīng)成為了影響電子系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性的重要因素[2]。

然而，隨著LSI與電子封裝集成度的迅速發(fā)展，集成電路的發(fā)熱量也越來越高了。如果熱設(shè)計不科學(xué)、不合理的話，就會出現(xiàn)很多問題，比如：如果材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，就會引發(fā)熱應(yīng)力而導(dǎo)致材料產(chǎn)生翹曲、裂紋，甚至產(chǎn)生失效和破壞，出現(xiàn)局部過熱的情況，進而引起芯片結(jié)區(qū)被燒毀；差異過大，溫度不均，就會影響信號的傳輸特性。芯片所產(chǎn)生的熱量主要是通過兩種方式進行傳播的：1）通過對流和輻射的形式，部分的熱量通過封裝內(nèi)部到達封裝外殼的內(nèi)表面，再傳導(dǎo)到外表面，最后向外部環(huán)境傳播熱量；2）熱量由芯片結(jié)區(qū)向外部傳輸，在外表面通過對流和輻射向外部環(huán)境傳播。通常，以第1種方式的傳播熱流可以忽略不計。我們可以通過選擇熱導(dǎo)率高的基板、粘接劑等材料，使芯片在服役過程中的熱量能夠及時、有效地從封裝體內(nèi)部釋放出來，以降低第2種方式中的熱阻。

本文采用了有限元思想，利用ANSYS軟件對QFP組件進行了模擬分析，得到了QFP各個組件的溫度分布云圖，然后通過分析這些溫度分布云圖，從而了解到了整個器件的溫度分布狀況。

1 QFP組件有限元分析模型的建立

由于QFP組件模型、載荷具有對稱性，為了節(jié)省時間，我們只選取了QFP器件的1/4結(jié)構(gòu)進行了研究和分析。

1.1 熱分析模擬

熱分析主要是用于計算一個部件或系統(tǒng)的溫度分布和其他熱物理參數(shù)，如熱梯度、熱量的獲取或者損失、熱流密度 （熱通量）等。

ANSYS軟件熱分析是基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計算各節(jié)點的溫度，并導(dǎo)出其他物理參數(shù)，遵循熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律。

ANSYS軟件熱分析分為穩(wěn)態(tài)熱傳和瞬態(tài)熱傳兩大類。當(dāng)瞬態(tài)熱傳時，系統(tǒng)的溫度場將隨時間發(fā)生明顯的變化，流入或流出的熱傳遞速率q等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化；當(dāng)穩(wěn)態(tài)熱傳的時候，系統(tǒng)溫度場將不隨著時間變化，流入系統(tǒng)的熱量等于流出系統(tǒng)的熱量。對于一個封閉系統(tǒng)來說，Q-W=△U+△KE+△PE，其中，Q：熱量；W：作功；△U：系統(tǒng)內(nèi)能；△KE：系統(tǒng)動能；△PE：系統(tǒng)勢能。針對大多數(shù)的工程傳熱問題，△KE=△PE=0；一般考慮不作功，W=0，則Q=△U。

1.2 力學(xué)模型

討論研究傳熱問題的方法大致可以分為兩大類：實驗研究方法與理論研究方法。實驗研究最重要的是在相似原理指導(dǎo)下建立模型，有限元方法屬于數(shù)值計算方法；理論研究方法還可以分為數(shù)學(xué)分析法、積分近似解法、比擬法和數(shù)值計算法。

1.3 有限元模型

a）單元類型的選擇

QFP結(jié)構(gòu)中的每一組件全部采用了SOLID70[3]的熱實體單元來模擬。

b）計算與簡化

1）為了便于模型的建立，簡化了引線和焊點的復(fù)雜形態(tài)；

2）因為QFP及載荷具有對稱性，為了節(jié)約計算的時間，僅選取了QFP器件的1/4結(jié)構(gòu)進行分析；

3）在整個結(jié)構(gòu)中，芯片的熱量輸出是均勻不變的。計算中采用了熱流密度表示芯片功率的大小；

4）模型外部的對流傳熱僅僅以自熱對流傳熱的形式進行；

5）假定各種材料完全連接在一起；

6）因為銅和鋁的表面發(fā)射率極小，所以忽略了熱擴展面和熱沉的輻射散熱，只考慮了它們的熱傳導(dǎo)散熱形式。

c）參數(shù)的設(shè)定

單位全部采用國際單位制，時間：s；功率：W；長度：m。

d）材料屬性

材料屬性如表2所示，其中PCB板的導(dǎo)熱系數(shù)是各向異性的。

表2 材料的參數(shù)表

3 運行結(jié)果及分析

3.1 整體結(jié)構(gòu)及芯片的溫度分布云圖

QFP器件的整體結(jié)構(gòu)及芯片的溫度分布云圖如圖1、2所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)的溫度分布云圖

圖2 芯片的溫度分布云圖

由圖1、2可以看出，溫度沿著熱量傳輸?shù)穆窂街饾u地下降，熱源芯片的溫度最高，最高溫度出現(xiàn)在PCB板外拐角處，為42.599℃，最低溫度出現(xiàn)在PCB板外拐角處，為39.05℃。

3.2 引線及其焊點的溫度分布云圖

QFP器件的引線及其焊點的溫度分布云圖如圖3、4所示。

圖3 引線的溫度分布云圖

圖4 焊點溫度分布云圖

從圖3、4可以發(fā)現(xiàn)，芯片的熱量在沿著引線進行傳輸?shù)臅r候，因為引線中熱阻的原因，會沿著引線自上而下不斷地降低，從而引起整個引線溫度分布不均勻，引線上部更容易損壞。

3.3 PCB板的溫度分布云圖

PCB板的溫度分布云圖如圖5所示。

由圖5可以看出，由于PCB板唯一的熱量輸入是通過焊點輸入進來的，因此PCB柜上和焊點相連的部分溫度最高，也是最容易損壞的地方。

3.4 其他組件的分布云圖

其他組件的溫度分布云圖如圖6-8所示。

圖5 PCB板的溫度分布云圖

圖6 熱介質(zhì)材料的溫度分布云圖

圖7 熱沉的溫度分布云圖

圖8 熱擴展面的溫度分布云圖

從以上所有組件的溫度分布云圖可以得出：由于結(jié)構(gòu)的對稱性，各組件的溫度基本上沿著1/4結(jié)構(gòu)的45℃對角線呈對稱分布。這樣的話，其實我們可以只取1/8結(jié)構(gòu)[4]進行熱分析，同樣可以得出結(jié)論，而且更加節(jié)省時間。

4 結(jié)束語

通過以上分析與研究，本文可以得出如下結(jié)論：

a）在QFP組件熱疲勞的研究中，由各組件的三維溫度分布云圖可以看出，芯片整體所受的溫度是各組件中最高的，所以芯片承受溫度的能力是決定整個器件壽命長短的關(guān)鍵。

b）焊點處的溫度會集中過高，在焊點的內(nèi)部將會產(chǎn)生周期性應(yīng)力的變化，這是因為封裝材料之間的熱膨脹系數(shù)失配的原因，從而誘發(fā)裂紋萌生和擴展，最終造成了內(nèi)部組織的改變和焊點失效，而一個焊點的失效往往又可能會造成整個產(chǎn)品的故障。研究結(jié)果表明，電子器件失效的原因中有一半以上與封裝和組裝的失效有密切的關(guān)系，焊點的失效是主要的原因之一。

c）溫度會隨著引線自上而下逐漸地降低，致使引線溫度分布不均勻，引線上部溫度過高。引線的框架在高密度、高精度的電子元器件封裝材料中，不僅是芯片的散熱通道，同時也是半導(dǎo)體芯片與外界的連接電路，還是承載芯片的骨架，因此，引線的失效對整個QFP器件失效的影響也是至關(guān)重要的。

[1]GEORGE T.Printed circuits in the 21st century[J].Printed Circuit Fabrication， 1997， 20 （11）： 52-59.

[2]GASTRO Ade，TODOROVICH E.DPWM based on FPGA clock phase shifting with time resolution under 100 ps[C]//Power Electronics Specialists Conference， 2008.[s.l.]：IEEE， 2008： 3054-3059.

[3]鄧凡平，俞杉.ANSYS12有限元分析自學(xué)手冊 [M].北京：人民郵電出版社，2006.

[4]王呼佳，陳洪軍，吳志俊，等.ANSYS工程分析進階實例 [M].北京：中國水利水電出版社，2006：371-387.