多芯片组件热分析及热设计技术研究

摘要

对于某多芯片组件，其工作在高温、高湿等恶劣环境中，要求IC芯片及功率元件有很高的可靠性，多芯片组件(MCM)热分析及热设计的研究是提高其可靠性的关键。因此，对多芯片组件的热分析及热设计是十分必要的。本论文利用有限元软件(ANSYS8.0)对多芯片组件进行了热分析，以准确、快速的热分析方法评估了该多芯片组件的热特性及各种封装参数对其热特性的影响，提出了改善多芯片组件散热特性及提高其可靠性的方法；论文还利用ANSYS8.0对大功率多芯片组件进行了热分析，同时，提出了改善大功率多芯片组件散热特性的六种热设计方案。本论文所做的主要工作如下： 1、针对不同外界环境及不同封装参数下的多芯片组件，利用有限元热模拟技术分析了它的三维温度场，得到了影响该多芯片组件热特性的一些重要因素，这些因素包括封装底板底面的温度、粘接层的导热系数、基板材料的导热系数、封装底板的导热系数、芯片的功率密度及外界环境等。 2、针对大功率多芯片组件，利用有限元热模拟技术分析了多芯片组件的温度场，通过循序渐进的方法，提出了六种热设计的方案。这六种热设计的方案为改善大功率多芯片组件的散热特性及提高其可靠性提供了参考。这六种热设计方案包括：(1)改进封装参数；(2)采用散热铜柱及铜散热器；(3)改进铜散热器的结构；(4)直接水冷却；(5)强制空气冷却；(6)间接水冷却。其中，强制空气冷却方案及间接水冷却方案应用了有限元的热．流体耦合模拟技术。 3、通过对多芯片组件的热分析及热设计，为多芯片组件的设计提供了可靠的热分析、热设计数据及方法，具有一定的指导意义和应用价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1电子封装技术

1.1.1集成电路(IC)技术发展与电子封装

1.1.2电子封装简介

1.1.3国内外电子封装技术发展的现状

1.2多芯片组件(MCM)

1.2.1多芯片组件(MCM)的定义及基本构成

1.2.2多芯片组件的分类及结构特点

1.2.3多芯片组件的优点

1.2.4多芯片组件的发展趋势

1.3多芯片组件热设计的意义、要求

1.3.1多芯片组件可靠性

1.3.2多芯片组件热设计的意义

1.3.3多芯片组件热设计的要求

1.4本章小结

第二章 某多芯片组件及其热设计方案

2.1某多芯片组件研究内容及目的

2.2某多芯片组件的结构模型

2.3某多芯片组件热设计方案

2.4采用的技术路线

2.5本章小结

第三章 应用软件与相关理论基础

3.1热设计分析方法

3.2有限单元法的基本思想

3.3有限元分析软件——ANSYS

3.3.1有限元分析软件(ANSYS)介绍

3.3.2 ANSYS的组成

3.3.3 ANSYS有限元分析的主要流程

3.3.4应用ANSYS软件做热分析的流程

3.4热传导的数学模型

3.5流动与传热控制方程数学模型

3.6本章小结

第四章 多芯片组件三维热场分析

4.1某多芯片组件热通路分析

4.2多芯片组件有限元热模拟及结果分析

4.2.1某多芯片组件热测量的边界条件及载荷

4.2.2某多芯片组件有限元模型的建立

4.2.3多芯片组件有限元模拟结果及分析

4.3多芯片组件封装参数及外部环境对其温度场的影响

4.3.1基板材料导热系数对功率元件最高温度的影响

4.3.2底板材料的导热系数对功率元件最高温度的影响

4.3.3粘接层材料的导热系数对功率元件最高温度的影响

4.3.4底板底面温度对功率元件最高温度的影响

4.4本章小结

第五章 大功率多芯片组件热设计技术研究

5.1大功率多芯片组件的参数

5.2大功率多芯片组件有限元热模拟的结果及分析

5.3大功率多芯片组件热设计方案

5.3.1方案一：改进大功率多芯片组件封装参数

5.3.2方案二：大功率多芯片组件采用铜柱及铜散热器的方式

5.3.3方案三：改进散热器的结构

5.3.4方案四：直接水冷却方式

5.3.5方案五：强制空气冷却方式

5.3.6方案六：间接水冷却的方式

5.4本章小结

第六章 总结

参考文献

致谢

附录：基于ANSYS 8.0软件分析在热-流体耦合条件下大功率多芯片组件的温度场的APDL源程序代码

攻硕期间取得的研究成果