BGA熱性能仿真優(yōu)化分析方法研究

馬曉波，諶世廣，王希有，溫莉

（1.華天科技（西安）有限公司，西安 710000；2.天水華天科技股份有限公司，甘肅 天水 741000）

1 引言

電子器件內(nèi)外部溫度過高，將導致產(chǎn)品失效率大大增加，直接影響電子器件的可靠性和使用壽命。據(jù)統(tǒng)計，電子器件的工作溫度每升高10 ℃，會導致器件的失效率增加1倍，而55%的電子器件失效都是由溫度過高引起的，過熱損壞已成為電子設(shè)備的主要故障形式[1]。

電子器件過熱問題在封裝行業(yè)中尤為重要，已成為封裝設(shè)計人員需著重考慮的問題。本文列舉了一種BGA封裝產(chǎn)品進行散熱優(yōu)化設(shè)計，從封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化如基板增加實心銅漿通孔、添加散熱蓋、增加基板內(nèi)層銅厚和在綠漆上開窗的方法，封裝材料優(yōu)化如更換高導熱BT材料和更換高導熱塑封料等方面，分別模擬計算其對封裝熱性能的優(yōu)化程度，為今后BGA散熱優(yōu)化提供一個良好的參考。

2 BGA熱性能優(yōu)化仿真參數(shù)設(shè)定

2.1 模型結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)設(shè)定

模型結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 模型結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)設(shè)定

2.2 模型材料參數(shù)設(shè)定

模型材料參數(shù)如表2所示。

表2 模型材料參數(shù)設(shè)定

2.3 選用標準及測試環(huán)境

本文參照JEDEC51-9標準（Test Boards for Area Array Surface Mount Package Thermal Measurements）內(nèi)容及應用范圍，PCB測試板選擇為2s2p的四層板，結(jié)構(gòu)如圖1所示。外形尺寸為114.3 mm×101.5 mm×1.6 mm[2]。

圖1 JEDEC51-9中2s2p測試板結(jié)構(gòu)

2.4 選用仿真軟件簡介

本文所應用的仿真軟件為F l o T H E R M。FloTHERM軟件符合電子設(shè)計流程，強大的可視化工具兼容EDA和MCAD工具，可仿真對流、傳導和輻射等熱傳遞方式。

3 BGA熱性能仿真優(yōu)化方案及模擬結(jié)果

利用熱仿真分析軟件對BGA609P封裝產(chǎn)品進行模擬并計算其熱阻值[3]，再通過對封裝材料及封裝結(jié)構(gòu)進行變更，改善封裝散熱性能。

3.1 初始封裝熱性能分析

按照封裝尺寸參數(shù)及材料參數(shù)設(shè)定模型，模型具體結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 BGA仿真模型結(jié)構(gòu)圖

通過模擬可以得出，封裝結(jié)到環(huán)境熱阻為24.244 ℃/W，結(jié)殼熱阻為4.074 5 ℃/W。封裝結(jié)到環(huán)境的熱阻是封裝綜合散熱能力的表現(xiàn)，其阻值會受到封裝工作時的環(huán)境、PCB板、封裝結(jié)構(gòu)及封裝材料等因素的影響。后文的優(yōu)化方案，即是通過模擬來量化封裝結(jié)構(gòu)及封裝材料對散熱的改善能力。

3.2 優(yōu)化設(shè)計方案

3.2.1 優(yōu)化方案一

在基板增加實心銅漿通孔，分布位置如圖3所示。

圖3 實心銅漿通孔位置分布

對通孔灌注銅漿，降低了通孔的導熱系數(shù)，促使結(jié)到環(huán)境熱阻下降為22.0147 ℃/W，與初始模型熱阻對比改善幅度為9.195%。

3.2.2 優(yōu)化方案二

更改封裝模型，為封裝添加散熱蓋，通過仿真的方法來研究改善能力。散熱蓋鑲嵌在塑封體內(nèi)，上表面尺寸為16 mm×16 mm，銅蓋厚度為0.1 mm，材料為純銅。

圖4 散熱蓋位置

散熱蓋的結(jié)構(gòu)是為了引導封裝熱量的流動，同時散熱蓋的銅質(zhì)材料和塑封料相比具有更高的導熱系數(shù)，也促進了熱量的傳導。該結(jié)構(gòu)使結(jié)到環(huán)境熱阻下降為21.017 1 ℃/W，與初始模型熱阻對比改善幅度為13.31%。

3.2.3 優(yōu)化方案三

更改封裝模型，將基板的內(nèi)層銅厚增加到70 μm，通過仿真的方法來研究改善能力。模型修改后，基板內(nèi)層結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 基板的內(nèi)層銅厚增加到70 μm后的模型結(jié)構(gòu)

通過模擬可得，優(yōu)化方案三的結(jié)到環(huán)境熱阻為21.351 ℃/W，與初始模型熱阻對比改善幅度為11.932%。

3.2.4 優(yōu)化方案四

在綠漆上開窗之后填充粘片膠，開窗尺寸為0.4 mm×0.4 mm×0.03 mm，可根據(jù)封裝結(jié)構(gòu)和工藝能力調(diào)整。開窗尺寸越大則填充的銀漿越多，封裝導熱性能改善越好。

開窗具體位置如圖6所示。

通過模擬可得，優(yōu)化方案四的結(jié)到環(huán)境熱阻為23.581 ℃/W，與初始模型熱阻對比改善幅度為2.73%，效果并不明顯。

圖6 開窗位置分布圖

3.2.5 優(yōu)化方案五

更改原封裝BT材料為高導熱BT材料，通過仿真的方法來研究改善能力。通過模擬可得，優(yōu)化方案五的結(jié)到環(huán)境熱阻值與初始模型對比如表3。

表3 高導熱BT材料熱導率

通過模擬可得，優(yōu)化方案五的結(jié)到環(huán)境熱阻值與初始模型對比如圖7。

圖7 更換高導熱BT材料模擬Theta-JA熱阻對比結(jié)果

3.2.6 優(yōu)化方案六

更換高導熱塑封料，熱導率為3 W.m-1.k-1。通過模擬可得，優(yōu)化方案六的結(jié)到環(huán)境熱阻為23.621 3 ℃/W，與初始模型熱阻對比改善幅度為2.568%。

3.3 優(yōu)化方案模擬結(jié)果

綜合上述六個優(yōu)化方案，對比初始封裝模型的熱阻結(jié)果，各方案優(yōu)化程度匯總?cè)绫?所示。

封裝熱阻值的大小決定了封裝本身的散熱能力，熱阻值越小，則封裝熱性能越優(yōu)秀。

由仿真模擬數(shù)據(jù)可知，新型的高導熱BT材料熱導率較傳統(tǒng)BT材料在熱導率方面有了很大的改善，從模擬結(jié)果來看，熱阻的優(yōu)化程度也最為明顯，達到了24.518%～34.33%。

因此，更換新型的高導熱BT材料，是封裝熱阻值的最佳優(yōu)選方案。更換高導熱塑封料，由于受封裝散熱途徑的影響，因此無法起到很好的優(yōu)化效果。添加散熱蓋、過孔灌銅和增厚基板內(nèi)層銅厚有很好的改善效果，在工藝能力及成本等因素允許的情況下也可以作為改善封裝熱性能的備選方式。

表4 各方案優(yōu)化程度對比

4 結(jié)束語

文章就如何改善BGA熱性能提供了六種優(yōu)化方案，并通過仿真的方法進行了模擬計算，詳細對比了這六種優(yōu)化方案的改善能力。封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案中，綠漆上開窗的方法對改善封裝熱性能效果不佳，其他三種方案則有較為明顯的改善效果。

對于需要熱性能優(yōu)化的封裝，可根據(jù)工藝能力進行選擇。封裝材料優(yōu)化方案中，更換高導熱的BT材料對封裝散熱性能優(yōu)化貢獻最為顯著，對于散熱要求比較高的封裝，可以重點考慮。而鑒于封裝散熱途徑的特點，更換高導熱的塑封料對封裝熱性能的改善能力欠佳，并且更換塑封料可能會引起封裝翹曲等其他問題。

行業(yè)內(nèi)對于電子產(chǎn)品熱性能設(shè)計及優(yōu)化方面的迫切需求，已經(jīng)得到廣大設(shè)計人員的重視。而通過仿真模擬的方法更快速、系統(tǒng)、精確地完成優(yōu)化設(shè)計，也逐步取得了工程師們的認可。

另外，仿真模擬是一個完全依賴參數(shù)的工作，在確認參數(shù)的準確性方面也應當特別注意。

[1] 徐龍?zhí)? 電子封裝中可靠性的有限元分析[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2007. 1.

[2] JEDEC. High Effective Thermal Conductivity Test Board for leaded Surface Mount Package[S].

[3] 工研院電子所構(gòu)裝中心工程師. IC封裝熱阻的定義與測量技術(shù)[EB/OL].（2010-01-06）[2012-11-12]. http∶//www.cntronics.com/bbs.

[4] RAVI K，MUJUMDAE A S. Thermal analysis of a flip chip ceramic ball grid array（CBGA）package [J].Microelectronics Reliability 48, 2008∶ 261-273.

[5] 劉勇.微電子器件及封裝的建模與仿真[M]. 北京：科學出版社，2010. 39.

[6] 楊士銘，陶文栓.傳熱學[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[7] 陳旭標.淺談電子元器件失效[J]. ELECTRONIC COMPONENTS & MATERIALS, 19（4）.

[8] 孫曼靈. 環(huán)氧樹脂應用原理與技術(shù)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2006.