Solidworks Simulation在半导体封装设计中的应用

引言

随着科技发展,电子产品有轻、薄、短、小的发展趋势,半导体元器件微小化与空间压缩成为必然,随之而来的散热和产品应力问题显得尤为重要。传统的设计方法和流程存在周期长、成本高以及人力浪费等问题,把软件模拟应用到封装产品设计中成为一个很有意义的研究课题。

1SolidWorksSimuIation简介

Solidworks软件是世界上第一个基于windows开发的三维CAD系统,由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势,Solidworks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明。使用它,设计师大大缩短了设计时间,新产品能快速、高效地投向市场。Solidworkssimulation是一个与Solidworks完全集成的设计分析系统,提供了单一屏幕解决方案来进行应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析和优化分析。

2封装产品设计的应用介绍

2.1热阻和热应力定义

2.1.1热阻

热阻值用于评估电子封装产品的散热性能,涉及产品的热可靠性,是封装设计时需要考量的重要参数。示意图如图1所示。

按照一定的测试条件获得的由芯片结面到固定位置的热阻值(Rthjx),其定义如下公式所示:

式中,Rthjx表示热阻:Tj为结面位置温度:Tx为热传到某点位置的温度:P为输入的发热功率。

通常用Rthja表示在自然对流或强制对流条件下从芯片表面到环境中某一点的热阻,即:

Rthja通常与封装工艺、封装所用材料、贴装散热板、热辐射、空气流动情况、系统环境等因素有关。

用Rthjc表示从芯片结面到封装体表面的热阻,即:

Rthjc通常用于评估封装体散热性能的优劣,一般与封装所用材料与封装设计结构相关,一旦确定了材料与结构,Rthjc就会作为一个物理属性不再改变。

2.1.2热应力

热应力是温度变化时,物体由于外在约束以及内部各部分之间的相互约束,使其不能完全自由胀缩而产生的应力,又称"变温应力"。

在国内分离器件的失效比例中,大约有50%与电、热应力是有关系的,主要表现为参数失效、短/断路等:国外的统计占比在70%左右,因而半导体分离器件的失效因素中,电、热应力被一致认为是主要因素。涉及热应力的计算非常专业复杂,在早期的半导体分离器件的设计中,主要是在实验室做实验得出数据,从而找出最佳的设计方案。

随着计算机运算技术的飞速发展,各种可以模拟仿真热应力的软件设计开发成功,其中Solidworkssimulation的模拟仿真功能在各领域的设计中被认可并得到使用,特别是在半导体分离器件设计中,可以在设置了外界温度、封装产品的内部结构、黑胶选择型号、支架尺寸结构等各种条件后,仿真出热应力的分布,提供最接近实际条件的模拟数据,给半导体设计带来了很多的便利。

2.2热阻的改善方法及介绍

不同的产品结构在散热/热应力等方面的反应是不同的。在相同的外形尺寸条件下,不同的晶粒(热源)放置位置、不同的导热介质及不同的散热路径均对产品性能有影响。

针对一种桥式产品内部结构clip放置位置的设计有三种方案可供选择,下面分别做模拟仿真。

如图2所示,方案A左边两个clip和晶粒都放置在上方,第三个clip和晶粒在下方。

如图3所示,方案B对称放置,中间一个clip和晶粒放置在上方。

如图4所示,方案C对称放置,中间一个clip和晶粒放置在下方。

设定环境温度为25℃,每颗晶粒输入4.79w热能(数据要求电流15A,按R6计算得出功率),在同样的对流系数下,通过软件模拟仿真,计算比较,C方案内部结构最优,能让三颗晶粒的热分布更均衡。数据对比如表1所示。

2.3热应力的改善方法及介绍

(1)针对sMA封装尺寸的产品,对平台支架内部结构变更,如支架(1eadframe)是否带凸台、clip形状变更、搭配尺寸变更,做设计比对。

图5为支架没有凸台时晶粒上应力状况的模拟仿真图。

图6为支架有凸台时晶粒上应力状况的模拟仿真图。

相同的外形结构,相同的材质,相同的软件设定环境,仅支架上是否有凸台一个变量(为保证clip对晶粒的影响最低,clip的高度重新设计),改善前晶粒上热应力为MAx481.6MPa,改善后晶粒上热应力为Max304.6MPa,热应力降低了36.7%(经验建议如前后差别为5%,可归为同一水平)。比较可知,使用带凸台支架的晶粒上热应力更小。但因不同的型号结构不同,此类分析并不完全一致通用,不同的型号需要做针对性分析和模拟仿真。

3应用举例

以下借用NewTTPackage设计实例对设计过程做详细介绍。

3.1初始方案仿真分析

如图7所示,依据其热阻性能(Rthjc),其工作电流最多可以达到4A。为了提高其工作电流,同时提升其在同类型产品中的竞争力,我们需要对其进行重新设计。然而,提高工作电流对产品的散热性能是个巨大的挑战,如果设计出现偏差,将来在客户端使用时会有很大的隐患,因此我们考虑采用SolidWorksSimulation的热仿真模块对新设计的方案进行散热分析,以确定在设计阶段,新结构或者新材料是否可以满足设计需求。

采用Solidworks建立如图8所示的三维模型,并对晶片模型进行简化。

仿真条件设定:环境温度25C:晶片功率9.54W(参考TT产品实测CTdata):假设材料mount在15mm×12mm×1.6mm的散热铝块上。

TT产品模拟中具体所要用到的材料物理系数如表2所示。

仿真结果与分析:通过对上述模型进行热仿真分析,设定空气自然对流条件下,获得产品内部的热量分布情况以及晶片结面温度Tj=143.9C,黑胶表面的平均温度Tc=132.6C,如图9和图10所示。

依据上文所述热阻计算公式,我们可以计算获得Rthjc=1.18C/W,通过查阅资料获得现有TT4A产品Rthjc实测值为1.29C/W,对比两个热阻值可以获知新设计结构在散热性能方面有一定提升。

如前文所述,Rthjc通常与封装所用材料与封装设计结构相关,另外从散热方向考虑,产品散热大致有两个方向,一个是热量经由黑胶上传到空气中,另一个是经由引脚下传到散热片上再散播到空气中,通常在自然对流情况下,由引脚下传到散热片的比例要高得多,基于这样的分析,对设计方案作进一步改进。

3.2改进方案仿真分析

首先是封装结构的改进,增加了铜材的比例,充分利用材料内部空间,尽量使热能在材料内部分布得更均匀,同时增加了引脚宽度,从原来的0.8mm加宽到1.4mm,计算得出引脚与散热片接触面积可增加约2.8倍,使其与散热片的接触面积更大,更有利于热量从封装体内部散出。

如表3所示,对比几款黑胶的导热系数,TH-G700导热性最好。

仿真结果与分析:针对改进方案,同样使用SolidWorks做热仿真模拟,模拟结果对比如表4所示。

由表4可知,产品的散热性能会有显著提升,若不考虑失真情况,预计可以提升一倍。

4结语

从上述应用举例可以看出,不同的产品、不同的结构设计、尺寸差异、不同的材质都会对产品的性能产生一定的影响。

在计算机上模拟仿真一些实际应用情况,有助于在设计阶段找出产品散热性能方面的缺陷,保证产品品质。通过热仿真获得的模拟数据具有参考价值,在设计研发新产品时,需尽可能从多方面去考虑,利用一些辅助工程软件来进行分析:同时要让别人也能清楚地了解到不同的设计对产品性能的影响,进而选择最优方案来设计新产品或改善现有产品。