多芯片組件（MCM） 是將多個半導(dǎo)體集成電路元件以裸芯片的狀態(tài)搭載在不同類型的布線板上，并實現(xiàn)整體封裝的一種封裝技術(shù)。與單芯片封裝相比。MCM可提高單位體積內(nèi)電路的集成度，有利于電子整機(jī)向高速化、多功能化和小型化方向發(fā)展，隨著MCM 集成度的提高和體積的縮小，尤其是對于集成了大功率芯片的MCM，其內(nèi)部具有多個熱源，熱源之間的熱糯合作用較強(qiáng)，單位體積內(nèi)的功耗很大，由此帶來的芯片熱失效和熱退化現(xiàn)象突出。有資料表明，器件的工作溫度每升高10℃，其失效率增加l倍。因此，準(zhǔn)確模擬大功率MCM 模塊的三維溫場分布，并分析掌握其熱特性，有利于指導(dǎo)MCM 熱設(shè)計方案的選擇，對提高大功率MCM 的可靠性具有重要意義。 筆者以ATMEL公司生產(chǎn)的MCM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、尺寸和材料為基礎(chǔ)，對該MCM在典型工作模式和自然對流的環(huán)境下的內(nèi)部和封裝表面溫度場分布情況進(jìn)行了模擬，并分析了該MCM 工作時各部分散熱比例情況和MCM各部分材料的熱導(dǎo)率對內(nèi)部溫度的影響。 1 計算模型 1.1 MCM 實際結(jié)構(gòu) 圖1描述了ATMEL 公司生產(chǎn)的某型號MCM 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。該MCM 內(nèi)部有三個芯片以倒裝焊方式置于Al203 基板上（芯片和基板之間有層厚度為0.29mm 的粘結(jié)劑），其中左邊的一塊是CPU，它的尺寸為8.5mm x 7.62mm x O.65mm。右邊為兩塊大小相等的存儲器，它們的尺寸為9.5mm x 6.82mm x 6.5mm。基板的尺寸為25mm x 21mm x 2.2mm，其背面通過陣列排列的255個焊球與PCB相連，焊球直徑為0.8 mm,焊球中心距離為1.27mm。PCB 的尺寸為90mm x 50mm x 1.5mm。 1.2 有限元模型 為了便于計算分析，先對模型作如下簡化和假設(shè): （1） MCM工作時其內(nèi)部功率器件處于熱平衡狀態(tài)，且其結(jié)溫分布是穩(wěn)定的。 （2） MCM內(nèi)部的CPU 和存儲器是主要熱源，忽略電流流過電阻和連續(xù)時產(chǎn)生的焦耳熱。 （3） 假設(shè)MCM底表面的溫度為常數(shù)，這樣便于紅外熱像儀測量。 （4） 假設(shè)封裝表面和PCB表面與周圍空氣對流熱交換系數(shù)為常數(shù)。 根據(jù)圖1描述的結(jié)構(gòu)用ANSYS建立模型，然后對模型劃分網(wǎng)格。筆者用ANSYS 提供的網(wǎng)格劃分控制工具“Mesh Tool”來進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中網(wǎng)格單元選用SOLID70，用“Smart Size”來控制網(wǎng)格尺寸。網(wǎng)格劃分的優(yōu)劣通過“Smart Size”里面的size level來控制，當(dāng)sizelevel 為1時，網(wǎng)格劃分得最精細(xì)，而size level 為10時，網(wǎng)格劃分得最粗糙?？紤]到PCB 結(jié)構(gòu)比較簡單而且熱流密度比較小，它的size level 選擇8 ，而封裝體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜并且熱流密度比較大，它的size level 選擇6。網(wǎng)格劃分后的有限元模型內(nèi)部如固2 所示。封裝體有限元模型由209803 個單元和45222 個節(jié)點組成，PCB 有限元模型由235284 個單元和51317 個節(jié)點組成。模型中采用的材料及其熱導(dǎo)率如表1所示。 [align=center] 圖2 MCM內(nèi)部結(jié)構(gòu)有限元模型[/align] 1.3 模型邊界條件 模型的熱邊界條件如下:熱源為芯片工作時的發(fā)熱，其中CPU 的發(fā)熱功率為2.6W，兩個存儲器的發(fā)熱功率分別為l5mW；模型內(nèi)部各材料之間通過傳導(dǎo)方式進(jìn)行傳熱，服從傅立葉傳熱定律:模型外表面通過與空氣的對流和輻射進(jìn)行散熱，對流傳熱服從牛頓冷卻定律，熱輻射服從斯蒂芬-玻爾茲曼定律。外部環(huán)境溫度為16℃，在空氣自然對流情況下，取對流傳熱系數(shù)為25W/（m2·K）。PCB 的黑度為0.9，包封表面的黑度為0.8。 2 模擬結(jié)果與分析 經(jīng)過ANSYS的模擬，模型的整體溫度分布如圖3所示。從圖中可以看出，模型的溫度最高點位于CPU的位置，其大小為60.249?！?。MCM 表面溫度以CPU為中心向外逐步遞減，溫度輪廓線呈圓弧狀，MCM溫度最低點位于存儲器一側(cè)的兩個拐角處。MCM 發(fā)熱對PCB 的溫度影響范圍很小，在影響范圍內(nèi)PCB的溫度以MCM 的位置為中心，溫度以圓弧狀向外逐步降低。通過紅外熱像儀測得該MCM 在典型工作模式下的最高溫度為62.67℃，由公式1 可以算出誤差為5.19 %，誤差值比較小，說明筆者的模型和有限元分析方法能夠比較精確地反映MCM 的溫度分布，可以用于溫度分析。 圖5和圖6分別是焊球和基板的溫度分布圖。從圈中可以看出，焊球和基板的溫度分布基本相同，這是因為焊球和基板是相連的，芯片發(fā)出的熱量通過基板傳導(dǎo)給焊球?；搴涂諝饨佑|的面積比較小，通過對流和輻射散熱很小，大部分熱量都通過傳導(dǎo)傳給焊球。 以以上模擬分析結(jié)果為基礎(chǔ)，分別計算在沒有熱沉的情況下PCB、包封和基板的散熱功率，結(jié)果可以看出: PCB 的散熱（包括對流散熱和輻射散熱）對散熱貢獻(xiàn)最大，它的散熱占整個散熱的50.76 %；其次是包封的散熱（包括對流散熱和輻射散熱），它的散熱占整個散熱的29.8 %；然后是基板散熱（包括對流散熱和輻射散熱），它的散熱占整個散熱的17.92%。 3 分析材料導(dǎo)熱系數(shù)對MCM內(nèi)部溫度的影晌 由上面的各部分散熱分布分析結(jié)果可知，模型的絕大部分熱量都是從PCB、包封和基板這三個部分傳出去的。其中包封散發(fā)掉的熱量是由芯片產(chǎn)生，通過包封傳導(dǎo)到包封表面，再以對流和輻射方式傳到周圍空氣中；PCB 散發(fā)掉的熱量是由芯片產(chǎn)生，通過基板和焊球傳導(dǎo)到PCB 上，再從PCB 表面以對流和輻射方式傳到周圍空氣中。所以在流傳熱系數(shù)和黑度都為常數(shù)的情況下，包封和基極的導(dǎo)熱性能對模型的散熱有影響。 以上面的模型和有限元分析方法為基礎(chǔ)，通過分別改變包封和基板的導(dǎo)熱系數(shù)來研究包封和基板的導(dǎo)熱系數(shù)對MCM內(nèi)部溫度的影響。圖7是基板導(dǎo)熱系數(shù)從0.5增加到125，而其它參數(shù)都不變的情況下，MCM內(nèi)部最高溫度的變化曲線。從圖7可以看出，基板導(dǎo)熱系數(shù)從0.5增加到20時MCM內(nèi)最高溫度降低非常明顯，而從20增加到125時溫度降低趨向平穩(wěn)。圖8是包封導(dǎo)熱系數(shù)從0.1增加到25，而其它參數(shù)都不變的情況下，MCM內(nèi)部最高溫度的變化曲線。從閣中可以看出，當(dāng)包封導(dǎo)熱系數(shù)增加時。MCM 內(nèi)部的最高溫度總體呈下降趨勢，但導(dǎo)熱系數(shù)從0.1增加到0.8時，溫度呈現(xiàn)上升趨勢。模型各部分散熱比例分析和各部分導(dǎo)熱系數(shù)對MCM 內(nèi)部溫度影響的分析結(jié)果基本一致，分析其原因可得: PCB和包封的散熱占整個散熱的比重非常大，增大基板的熱導(dǎo)率使芯片發(fā)出的熱量更容易傳到PCB上，而增大包封的熱導(dǎo)率有利于把芯片發(fā)出的熱量傳遞到封裝表面，通過對流和輻射散發(fā)掉。 4 結(jié)論 以ATMEL生產(chǎn)的MCM為研究對象，采用有限元方法對其溫度分布進(jìn)行了模擬和分析，結(jié)果表明: （1）所建立的模型和有限元分析方法能夠比較精確的模擬MCM 的溫度場分布，為MCM的熱模擬提供了一種有效的方法。 （2）模型各部分散熱比例分析結(jié)果表明，在沒有熱沉的情況下。PCB 的散熱對散熱貢獻(xiàn)最大，其次是包封的散熱。 （3）各部分導(dǎo)熱系數(shù)對MCM內(nèi)部溫度影響分析結(jié)果表明，增大包封和基板的導(dǎo)熱系數(shù)能夠有效地提高M(jìn)CM的散熱效果，降低MCM內(nèi)部溫度