电子封装件受热载荷作用有限元数值模拟分析

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1、维普资讯http://www.cqvip.comVoI．45，NO．3第45卷第3期大连理_T-大学学报May20052005年5月JournalofDalianUniversityofTechnology文章编号：1000—8608(2005)03—0320—06电子封装件受热载荷作用有限元数值模拟分析葛增杰，顾元宪，王宏伟，靳永欣(大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁大连116024)摘要：针对典型塑料方形扁平封装体PQFP在：Y-作过程中的受热分析问题，基于热弹性力学理论建立了二维和三维有限元数值模拟分析模型．研究

2、了封装体在功率耗散情况下受均匀和非均匀热载作用时其材料的热膨胀和导热性质．有限元数值模拟取得了与实验一致的结果．数值结果表明，采用较小弹性模量和热膨胀率的材料可以有效地减小热应力，基板和芯片的厚度是影响封装体变形的主要参数．数值分析结果为提高封装件的可靠性和优化设计提供了理论依据．关键词：电子封装；热弹性力学；有限元；温度场；热应力中图分类号：TG241文献标识码：A0引言本文采用有限元数值模拟方法，针对PQFP(plasticquadflatpack，塑料方形扁平封装随着集成电路技术的飞速发展，电子封装件体)建立包括芯片、基片、粘

3、结材料和封装材料在的体积越来越小．其在工作过程中受热载荷作用内整体结构的二维、三维有限元分析模型，通过对导致封装件失效的问题愈来愈引起人们的关注．封装体在热载荷作用下的温度场进行数值模拟分一些研究L1表明，封装件失效的主要原因析，考虑封装件各层不同材料的热膨胀、导热性质是封装体内由于温差和各层不同材料热膨胀系数等因素的影响；对三维模型的Ti—Ni合金底座进不匹配而产生的热应力问题．Miller等采用实行变尺度处理，初步了解底座厚度对散热及应力验方法，用PSMI仪器测量了封装件在热载荷作的影响．用下的变形(位移值)，并用有限元公式计算

4、了封装件的应变．Wakil等L7采用有限元数值模拟方1计算模型法，建立了封装件二维有限元分析模型，在模型加计算模型实体来源于有208针引脚的载时采用均匀温度载荷且考虑了功率耗散，分析PQFPL7]，体壳为环氧树脂材料，其中包含硅片及结果给出了芯片与基板之间粘接层各部位的位移Ti—Ni合金质底座等，实物如图1所示．和温度失配分布曲线．粘环毓树日(a)尔意图(b)剖向】刳图1PQFP示意图和剖面图Fig．1SchematicofthePQFP根据实际尺寸，设计模型尺寸参数如表1所所有材料的性能参数，见表2．不．收稿日期：2003—12-

5、22；修回日期：2004—10-12．基金项目：国家自然科学基金资助项目(重点项目10032030)作者简介：葛增杰’(1945一)，男，博士，教授．维普资讯http://www.cqvip.com第3期葛增杰等：电子封装件受热载荷作用有限元数值模拟分析321表1模型尺寸参数膨胀和收缩过程中，层间界面处的对应点不能发Tab．1Dimensionsofmode1生相对位移．为满足这一条件，在建模时利用布尔操作对各层进行一体化处理．通过观察已失效的封装件发现很多封装件的失效经常是从封装内部边角处开始的，因此对芯片、粘接层和底座进行网格细

6、化以提高计算精度．计算模型采用了八节点曲边任意四边形单元，网格划分后整个结构共2计算结果及分析824个有限单元，2607个节点．网格划分结果如图2所示．2．1二维模型分析一个稳定的PQFP在位移上必须满足：在热表2PQFP组成材料的性能参数Tab．2ParametersofPQFPmaterials材料^／(w·m一·℃一)a／10一℃一E／GPap／(kg·m一。)c／(J·kg一·C一)25℃：17．00环氧树脂25，4O．3Ol500I64℃：2I．00Ti—Ni合金底座240．0017．OO15O．00．3O780025C：

7、153．00硅片77℃：1I9．002．62148．OO．28233O127℃：98．90环氧树脂粘接剂O．2OZO．OO0．10．3O1500Pb40／Sn60焊料25．O062．OO．4O852O非均匀温度场的模拟结果见图3，图4给出了模型中心线的温度曲线．从图3和4可以看出，芯片附近区域的温度图2PQFP模型的有限元网格图都很高，接近于硅片表面的温度，而与空气接触的0∞O蛎3加O锚OFig．2FiniteelementmeshofPQFPmodel环氧树脂外壳部分的温度值较硅片低很多．其原本文考虑均匀温度场和非均匀温度场两种因

8、从材料性质方面说，Ti—Ni合金底座的导热系封装体加载条件．数为240W／(m·℃)，较环氧树脂(1．O6w／(m·2．1．1均匀温度场的模拟考虑PQFP正常工．C))大很多，环氧树脂层容易阻碍芯片散热．从作时的自然稳定状态，室温设为