Solidworks Simulation在半導(dǎo)體封裝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

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(shì),半導(dǎo)體元器件微小化與空間壓縮成為必然,隨之而來(lái)的散熱和產(chǎn)品應(yīng)力問(wèn)題顯得尤為重要。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和流程存在周期長(zhǎng)、成本高以及人力浪費(fèi)等問(wèn)題,把軟件模擬應(yīng)用到封裝產(chǎn)品設(shè)計(jì)中成為一個(gè)很有意義的研究課題。

1SolidWorksSimuIation簡(jiǎn)介

Solidworks軟件是世界上第一個(gè)基于windows開(kāi)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(shì),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(shí)和證明。使用它,設(shè)計(jì)師大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間,新產(chǎn)品能快速、高效地投向市場(chǎng)。Solidworkssimulation是一個(gè)與Solidworks完全集成的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng),提供了單一屏幕解決方案來(lái)進(jìn)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(jì)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(píng)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(jì)時(shí)需要考量的重要參數(shù)。示意圖如圖1所示。

按照一定的測(cè)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:Tj為結(jié)面位置溫度:Tx為熱傳到某點(diǎn)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(duì)流或強(qiáng)制對(duì)流條件下從芯片表面到環(huán)境中某一點(diǎn)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(dòng)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(píng)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(jì)結(jié)構(gòu)相關(guān),一旦確定了材料與結(jié)構(gòu),Rthjc就會(huì)作為一個(gè)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(shí),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(chēng)"變溫應(yīng)力"。

在國(guó)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(guó)外的統(tǒng)計(jì)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(rèn)為是主要因素。涉及熱應(yīng)力的計(jì)算非常專(zhuān)業(yè)復(fù)雜,在早期的半導(dǎo)體分離器件的設(shè)計(jì)中,主要是在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)得出數(shù)據(jù),從而找出最佳的設(shè)計(jì)方案。

隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)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(jì)開(kāi)發(fā)成功,其中Solidworkssimulation的模擬仿真功能在各領(lǐng)域的設(shè)計(jì)中被認(rèn)可并得到使用,特別是在半導(dǎo)體分離器件設(shè)計(jì)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(hào)、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(shí)際條件的模擬數(shù)據(jù),給半導(dǎo)體設(shè)計(jì)帶來(lái)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(duì)產(chǎn)品性能有影響。

針對(duì)一種橋式產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)clip放置位置的設(shè)計(jì)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(gè)clip和晶粒都放置在上方,第三個(gè)clip和晶粒在下方。

如圖3所示,方案B對(duì)稱(chēng)放置,中間一個(gè)clip和晶粒放置在上方。

如圖4所示,方案C對(duì)稱(chēng)放置,中間一個(gè)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(jì)算得出功率),在同樣的對(duì)流系數(shù)下,通過(guò)軟件模擬仿真,計(jì)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(duì)比如表1所示。

2.3熱應(yīng)力的改善方法及介紹

(1)針對(duì)sMA封裝尺寸的產(chǎn)品,對(duì)平臺(tái)支架內(nèi)部結(jié)構(gòu)變更,如支架(1eadframe)是否帶凸臺(tái)、clip形狀變更、搭配尺寸變更,做設(shè)計(jì)比對(duì)。

圖5為支架沒(méi)有凸臺(tái)時(shí)晶粒上應(yīng)力狀況的模擬仿真圖。

圖6為支架有凸臺(tái)時(shí)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(tái)一個(gè)變量(為保證clip對(duì)晶粒的影響最低,clip的高度重新設(shè)計(jì)),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(yàn)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(tái)支架的晶粒上熱應(yīng)力更小。但因不同的型號(hào)結(jié)構(gòu)不同,此類(lèi)分析并不完全一致通用,不同的型號(hào)需要做針對(duì)性分析和模擬仿真。

3應(yīng)用舉例

以下借用NewTTPackage設(shè)計(jì)實(shí)例對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程做詳細(xì)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(dá)到4A。為了提高其工作電流,同時(shí)提升其在同類(lèi)型產(chǎn)品中的競(jìng)爭(zhēng)力,我們需要對(duì)其進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。然而,提高工作電流對(duì)產(chǎn)品的散熱性能是個(gè)巨大的挑戰(zhàn),如果設(shè)計(jì)出現(xiàn)偏差,將來(lái)在客戶(hù)端使用時(shí)會(huì)有很大的隱患,因此我們考慮采用SolidWorksSimulation的熱仿真模塊對(duì)新設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行散熱分析,以確定在設(shè)計(jì)階段,新結(jié)構(gòu)或者新材料是否可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

采用Solidworks建立如圖8所示的三維模型,并對(duì)晶片模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。

仿真條件設(shè)定:環(huán)境溫度25C:晶片功率9.54W(參考TT產(chǎn)品實(shí)測(cè)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(guò)對(duì)上述模型進(jìn)行熱仿真分析,設(shè)定空氣自然對(duì)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Tj=143.9C,黑膠表面的平均溫度Tc=132.6C,如圖9和圖10所示。

依據(jù)上文所述熱阻計(jì)算公式,我們可以計(jì)算獲得Rthjc=1.18C/W,通過(guò)查閱資料獲得現(xiàn)有TT4A產(chǎn)品Rthjc實(shí)測(cè)值為1.29C/W,對(duì)比兩個(gè)熱阻值可以獲知新設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)方向,一個(gè)是熱量經(jīng)由黑膠上傳到空氣中,另一個(gè)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(duì)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(duì)設(shè)計(jì)方案作進(jìn)一步改進(jìn)。

3.2改進(jìn)方案仿真分析

首先是封裝結(jié)構(gòu)的改進(jìn),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(shí)增加了引腳寬度,從原來(lái)的0.8mm加寬到1.4mm,計(jì)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(duì)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(duì)改進(jìn)方案,同樣使用SolidWorks做熱仿真模擬,模擬結(jié)果對(duì)比如表4所示。

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

4結(jié)語(yǔ)

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(jì)、尺寸差異、不同的材質(zhì)都會(huì)對(duì)產(chǎn)品的性能產(chǎn)生一定的影響。

在計(jì)算機(jī)上模擬仿真一些實(shí)際應(yīng)用情況,有助于在設(shè)計(jì)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(guò)熱仿真獲得的模擬數(shù)據(jù)具有參考價(jià)值,在設(shè)計(jì)研發(fā)新產(chǎn)品時(shí),需盡可能從多方面去考慮,利用一些輔助工程軟件來(lái)進(jìn)行分析:同時(shí)要讓別人也能清楚地了解到不同的設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品性能的影響,進(jìn)而選擇最優(yōu)方案來(lái)設(shè)計(jì)新產(chǎn)品或改善現(xiàn)有產(chǎn)品。