芯片堆叠中散热分析方法研究

摘要

堆叠立体组装技术具有组装密度高、互连线短、体积小、重量轻、性能好等特点。特别是航空、航天中对电子器件的体积和重量的限制，更体现了堆叠立体组装技术的优越性。但随着芯片的集成度、功率密度的日益提高，单位体积内的功耗不断增大，导致发热量增加和温度急剧上升，从而强化了组件内部由热驱使而形成的机械、化学和电学等多方面的相互作用，降低了芯片的性能和可靠性。元器件的失效率与节温成指数关系，性能随温度的升高而下降。因此堆叠芯片的热分析是非常必要的。
　　本文将有限元法和热网络法应用到堆叠芯片的散热分析中。详细分析堆叠芯片的结构材料、芯片尺寸、导热系数及传热途径等问题；提出了建立几何模型及合理划分网格的方法；确定了边界条件并进行了堆叠芯片有限元仿真模拟。实验得出的五条结论表明，本文建立的有限元模型能够准确地反映出堆叠芯片的热分布状况。其次，本文以热网络法基本理论为指导将堆叠芯片的温度场离散化为网格，模拟电路的方法构成等效热网络，将场的问题转化为路的问题求解。根据热网络模型，推导出热平衡矩阵方程，采用高斯——赛德尔迭代法求解矩阵方程式。实验数据表明，堆叠芯片热网络模型合理，热平衡方程正确，符合堆叠芯片热分布情况。
　　本文后续工作是堆叠芯片的热设计，通过对元器件的选择、电路设计、结构设计和合理布局来减少温度对产品可靠性的影响，使堆叠芯片能在较宽的温度范围内工作。

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第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 研究现状

1.3 本文主要工作

1.4 章节安排

第二章 芯片堆叠基本理论

2.1 电子封装技术

2.2 芯片堆叠立体组装技术

2.3 热分析基础理论

2.4 本章小结

第三章 堆叠芯片有限元热模拟与分析

3.1 有限元基本思想

3.2 堆叠芯片热模型建立方法

3.3 堆叠芯片有限元热模拟

3.4 堆叠芯片有限元热模拟结果分析

3.5 本章小结

第四章 堆叠芯片热网络模型

4.1 热网络法

4.2 堆叠芯片热网络模型的建立

4. 3 热网络法与有限元法的比较

4.4 本章小结

第五章 结束语

致谢

参考文献

研究成果