電子封裝QFP組件熱疲勞有限元分析與研究★

李灶鵬

（北華航天工業(yè)學院電子與控制工程學院，河北 廊坊 065000）

0 引言

方形扁平式封裝 （QFP：Quad Flat Package）技術應用廣泛，在封裝CPU時操作簡單、方便，可靠性高，是現(xiàn)在表面貼裝型多端子大規(guī)模集成電路 （LSI）封裝的最主要的形式，在Motorola和Inter等很多大公司中得到了越來越多的應用。21世紀的印刷電路板 （PCB）應該滿足輕、小、薄和價格低廉且性能優(yōu)異的要求[1]。電子封裝器件在服役過程中，會隨著電路周期性的通與斷和環(huán)境溫度周期性的變化而發(fā)生變化，QFP器件將承受著溫度循環(huán)的過程。最終實踐證明，元器件隨著溫度的變化會出現(xiàn)10℃法則現(xiàn)象，也就是說，元器件的實際工作溫度每升高10℃，其失效率就會相應地增大1倍左右，所以，即便溫度只降低了1℃，對電子設備而言，其失效率也會降低一個非?？捎^的量值。溫度已經(jīng)成為了影響電子系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性的重要因素[2]。

然而，隨著LSI與電子封裝集成度的迅速發(fā)展，集成電路的發(fā)熱量也越來越高了。如果熱設計不科學、不合理的話，就會出現(xiàn)很多問題，比如：如果材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，就會引發(fā)熱應力而導致材料產(chǎn)生翹曲、裂紋，甚至產(chǎn)生失效和破壞，出現(xiàn)局部過熱的情況，進而引起芯片結區(qū)被燒毀；差異過大，溫度不均，就會影響信號的傳輸特性。芯片所產(chǎn)生的熱量主要是通過兩種方式進行傳播的：1）通過對流和輻射的形式，部分的熱量通過封裝內(nèi)部到達封裝外殼的內(nèi)表面，再傳導到外表面，最后向外部環(huán)境傳播熱量；2）熱量由芯片結區(qū)向外部傳輸，在外表面通過對流和輻射向外部環(huán)境傳播。通常，以第1種方式的傳播熱流可以忽略不計。我們可以通過選擇熱導率高的基板、粘接劑等材料，使芯片在服役過程中的熱量能夠及時、有效地從封裝體內(nèi)部釋放出來，以降低第2種方式中的熱阻。

本文采用了有限元思想，利用ANSYS軟件對QFP組件進行了模擬分析，得到了QFP各個組件的溫度分布云圖，然后通過分析這些溫度分布云圖，從而了解到了整個器件的溫度分布狀況。

1 QFP組件有限元分析模型的建立

由于QFP組件模型、載荷具有對稱性，為了節(jié)省時間，我們只選取了QFP器件的1/4結構進行了研究和分析。

1.1 熱分析模擬

熱分析主要是用于計算一個部件或系統(tǒng)的溫度分布和其他熱物理參數(shù)，如熱梯度、熱量的獲取或者損失、熱流密度 （熱通量）等。

ANSYS軟件熱分析是基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計算各節(jié)點的溫度，并導出其他物理參數(shù)，遵循熱力學第一定律，即能量守恒定律。

ANSYS軟件熱分析分為穩(wěn)態(tài)熱傳和瞬態(tài)熱傳兩大類。當瞬態(tài)熱傳時，系統(tǒng)的溫度場將隨時間發(fā)生明顯的變化，流入或流出的熱傳遞速率q等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化；當穩(wěn)態(tài)熱傳的時候，系統(tǒng)溫度場將不隨著時間變化，流入系統(tǒng)的熱量等于流出系統(tǒng)的熱量。對于一個封閉系統(tǒng)來說，Q-W=△U+△KE+△PE，其中，Q：熱量；W：作功；△U：系統(tǒng)內(nèi)能；△KE：系統(tǒng)動能；△PE：系統(tǒng)勢能。針對大多數(shù)的工程傳熱問題，△KE=△PE=0；一般考慮不作功，W=0，則Q=△U。

1.2 力學模型

討論研究傳熱問題的方法大致可以分為兩大類：實驗研究方法與理論研究方法。實驗研究最重要的是在相似原理指導下建立模型，有限元方法屬于數(shù)值計算方法；理論研究方法還可以分為數(shù)學分析法、積分近似解法、比擬法和數(shù)值計算法。

1.3 有限元模型

a）單元類型的選擇

QFP結構中的每一組件全部采用了SOLID70[3]的熱實體單元來模擬。

b）計算與簡化

1）為了便于模型的建立，簡化了引線和焊點的復雜形態(tài)；

2）因為QFP及載荷具有對稱性，為了節(jié)約計算的時間，僅選取了QFP器件的1/4結構進行分析；

3）在整個結構中，芯片的熱量輸出是均勻不變的。計算中采用了熱流密度表示芯片功率的大小；

4）模型外部的對流傳熱僅僅以自熱對流傳熱的形式進行；

5）假定各種材料完全連接在一起；

6）因為銅和鋁的表面發(fā)射率極小，所以忽略了熱擴展面和熱沉的輻射散熱，只考慮了它們的熱傳導散熱形式。

c）參數(shù)的設定

單位全部采用國際單位制，時間：s；功率：W；長度：m。

d）材料屬性

材料屬性如表2所示，其中PCB板的導熱系數(shù)是各向異性的。

表2 材料的參數(shù)表

3 運行結果及分析

3.1 整體結構及芯片的溫度分布云圖

QFP器件的整體結構及芯片的溫度分布云圖如圖1、2所示。

圖1 整體結構的溫度分布云圖

圖2 芯片的溫度分布云圖

由圖1、2可以看出，溫度沿著熱量傳輸?shù)穆窂街饾u地下降，熱源芯片的溫度最高，最高溫度出現(xiàn)在PCB板外拐角處，為42.599℃，最低溫度出現(xiàn)在PCB板外拐角處，為39.05℃。

3.2 引線及其焊點的溫度分布云圖

QFP器件的引線及其焊點的溫度分布云圖如圖3、4所示。

圖3 引線的溫度分布云圖

圖4 焊點溫度分布云圖

從圖3、4可以發(fā)現(xiàn)，芯片的熱量在沿著引線進行傳輸?shù)臅r候，因為引線中熱阻的原因，會沿著引線自上而下不斷地降低，從而引起整個引線溫度分布不均勻，引線上部更容易損壞。

3.3 PCB板的溫度分布云圖

PCB板的溫度分布云圖如圖5所示。

由圖5可以看出，由于PCB板唯一的熱量輸入是通過焊點輸入進來的，因此PCB柜上和焊點相連的部分溫度最高，也是最容易損壞的地方。

3.4 其他組件的分布云圖

其他組件的溫度分布云圖如圖6-8所示。

圖5 PCB板的溫度分布云圖

圖6 熱介質(zhì)材料的溫度分布云圖

圖7 熱沉的溫度分布云圖

圖8 熱擴展面的溫度分布云圖

從以上所有組件的溫度分布云圖可以得出：由于結構的對稱性，各組件的溫度基本上沿著1/4結構的45℃對角線呈對稱分布。這樣的話，其實我們可以只取1/8結構[4]進行熱分析，同樣可以得出結論，而且更加節(jié)省時間。

4 結束語

通過以上分析與研究，本文可以得出如下結論：

a）在QFP組件熱疲勞的研究中，由各組件的三維溫度分布云圖可以看出，芯片整體所受的溫度是各組件中最高的，所以芯片承受溫度的能力是決定整個器件壽命長短的關鍵。

b）焊點處的溫度會集中過高，在焊點的內(nèi)部將會產(chǎn)生周期性應力的變化，這是因為封裝材料之間的熱膨脹系數(shù)失配的原因，從而誘發(fā)裂紋萌生和擴展，最終造成了內(nèi)部組織的改變和焊點失效，而一個焊點的失效往往又可能會造成整個產(chǎn)品的故障。研究結果表明，電子器件失效的原因中有一半以上與封裝和組裝的失效有密切的關系，焊點的失效是主要的原因之一。

c）溫度會隨著引線自上而下逐漸地降低，致使引線溫度分布不均勻，引線上部溫度過高。引線的框架在高密度、高精度的電子元器件封裝材料中，不僅是芯片的散熱通道，同時也是半導體芯片與外界的連接電路，還是承載芯片的骨架，因此，引線的失效對整個QFP器件失效的影響也是至關重要的。

[1]GEORGE T.Printed circuits in the 21st century[J].Printed Circuit Fabrication， 1997， 20 （11）： 52-59.

[2]GASTRO Ade，TODOROVICH E.DPWM based on FPGA clock phase shifting with time resolution under 100 ps[C]//Power Electronics Specialists Conference， 2008.[s.l.]：IEEE， 2008： 3054-3059.

[3]鄧凡平，俞杉.ANSYS12有限元分析自學手冊 [M].北京：人民郵電出版社，2006.

[4]王呼佳，陳洪軍，吳志俊，等.ANSYS工程分析進階實例 [M].北京：中國水利水電出版社，2006：371-387.