面向引線框架封裝的熱阻建模與分析

孫海燕，繆小勇，趙繼聰，孫 玲，王洪輝

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面向引線框架封裝的熱阻建模與分析

孫海燕1，繆小勇2，趙繼聰1，孫 玲1，王洪輝2

（1. 南通大學江蘇省專用集成電路設計重點實驗室，江蘇南通 226007；2. 通富微電子股份有限公司，江蘇南通 226006）

針對通用的QFP48引線框架封裝，首先探討了封裝中的熱傳輸機制，給出了熱阻的理論計算結果；接著利用Ansys Icepak軟件建立起QFP48的有限元模型，熱阻仿真結果較好地驗證了熱傳輸機制的理論分析；最后討論了減小封裝熱阻、提高熱可靠性的方法。結果表明：適當提高塑封材料的熱傳導率、增加PCB面積和施加一定風速的強迫對流均可降低QFP48封裝的熱阻，提高散熱效果。

引線框架封裝；熱阻；建模；熱仿真；優化分析；Icepak

集成電路封裝技術中，傳統的四側扁平封裝技術(QFP)，由于具備較多的互連引腳、良好的電氣特性和較低的成本，仍然是目前較為流行的封裝形式之一[1-3]。

目前，隨著集成電路工藝的不斷進步，大規模或超大規模集成電路的工作頻率越來越高，由此引發的數字電路動態功耗越來越大，芯片內部發熱量增加導致溫度急劇上升，因此，封裝的散熱問題受到越來越廣泛的關注。以QFP封裝為例，Zhou等[4]給出了QFP封裝的內部熱傳輸路徑，在功耗為0.5 W和環境溫度為20的情況下，采用有限元工具仿真得到芯片的最高溫度為84.17℃。Suwa等[5]通過構建有限元模型并進行相關的仿真建立了芯片和PCB的熱阻網絡。

本文以QFP48為研究對象，通過理論分析與有限元仿真技術進行熱阻建模[6]。首先建立QFP48的數學模型，得到熱阻的計算方法；接著利用Ansys Icepak建立QFP48的有限元模型，仿真得到封裝的熱阻，并驗證數學計算的結果；最后在綜合考慮結構、材料等因素的基礎上，完成對QFP48封裝熱阻的優化設計。

1 數學建模

典型的QFP基本結構如圖1所示：① Die為芯片，封裝中最重要的組成部分；② Die Adhesive為芯片粘貼膠，用于將芯片固定在封裝框架的載片臺上；③ Paddle為框架載片臺，對芯片起支撐固定作用，同時也能夠提供較多的散熱；④ Lead Frame為引線框架，是封裝輸入/輸出端口與外部PCB系統的連接橋梁；⑤ Wire Bond為鍵合線，負責將芯片的焊盤與引線框架連接，鍵合線和引線框架共同組成了芯片系統到PCB系統的完整傳輸通道；⑥ Mold為塑封料，保護著整個封裝結構。

圖1 QFP封裝的結構

圖2為QFP48封裝模型的熱傳輸路徑示意圖，其中用帶有箭頭的不同線型標注了傳導（conduction）、對流（convection）和輻射（radiation）三種熱量傳輸形式及其傳輸路徑。

圖2 QFP48封裝中傳熱路徑

由圖2可知，QFP48封裝中的三條主要熱量傳輸路徑分別為：1. 芯片工作產生的熱量直接通過塑封料體（⑥ Mold）的上表面傳輸到空氣中；2. 熱量在經過芯片粘貼膠（② Die Adhesive）和載片臺（③ Paddle）之后，通過封裝體的下表面傳輸到PCB和空氣中；3. 熱量通過鍵合線（⑤ Wire Bond）傳輸到引線框架（④ Lead Frame）上，然后再通過框架引腳傳輸到空氣中和PCB上。根據熱傳輸類型和傳輸路徑可以得到QFP48封裝的熱阻網絡模型，如圖3所示。

圖3 QFP48封裝熱阻網絡模型

圖3中的和a分別表示芯片結溫和環境溫度。由圖3可見，第一條傳熱路徑上的熱阻有j1、17、con和rad，分別表示芯片熱阻、芯片上方塑封體的熱阻、對流熱阻和輻射熱阻；第二條傳熱路徑中，除了con和rad，還包括芯片粘貼膠熱阻j2、載片臺熱阻23、芯片下方塑封體熱阻34、封裝和PCB之間的空氣熱阻45和PCB的熱阻56；第三條傳熱路徑中，除了包含56、con和rad，還包括鍵合線熱阻wb和引線框架熱阻lf。

表1給出了QFP48的封裝模型參數，為了使QFP48封裝模型的熱阻更能反映實際工作情況，模型中添加了一個4層的PCB測試板。該PCB測試板的幾何尺寸如表2所示，PCB的材料選為FR4。由于封裝內部以熱傳導為主，本文重點以熱傳導為例，說明熱阻的數學求解過程。

表1 QFP48封裝模型參數

Tab.1 Parameters of QFP model

表2 PCB模型參數

Tab.2 Parameters of PCB model

熱傳導可用一維傅里葉方程表示為：

式中：表示熱流量；表示熱導率；表示熱流通過的橫截面積；d/d是熱流方向上的溫度梯度。對公式（1）進行積分，得到穩態熱傳導路徑長度為時的溫度差，即：

（2）

進一步對公式（2）進行變換，得：

定義熱阻為：

（4）

聯合公式（3）、（4），傳導方式下的熱阻計算公式可表示為：

式中：代表熱傳導路徑的長度；代表材料的熱導率；是熱流量通過的橫截面積。

同理，熱對流、熱輻射方式下的熱阻計算公式可相似得到。

根據表1中的QFP48封裝模型參數及表2中的PCB模型參數，利用公式（5），即可求解出圖3熱阻網絡中各個結構的熱阻值。以芯片熱阻j1為例：

同理，其他結構的熱阻值可類似求得，結果如表3所示。

表3 QFP48封裝各結構熱阻值

Tab.3 Calculated values of thermal resistance network

結合圖3中抽取的熱阻網絡拓撲結構及表3中對應的各熱阻值，QFP48封裝的總熱阻為：

2 QFP48封裝熱阻有限元建模

根據QFP48封裝產品的結構圖，利用Ansys Icepak建立三維有限元模型[7]，如圖4所示。模型結構中各參數與表1、表2保持一致，其中芯片的功率為0.5 W，環境溫度設置為20℃。

圖4 QFP48封裝三維有限元模型

經過網格劃分、參數設置，自然對流下的溫度場仿真結果如圖5所示，其中芯片最高節溫為83.90℃。

圖5 自然對流條件下QFP48封裝溫度分布

根據JESD標準[8]，芯片到外界環境的熱阻ja可表示為：

式中：j和a分別代表芯片最高結溫和環境溫度；指芯片的功耗。將芯片最高結溫83.90℃、環境溫度20℃及芯片功耗0.5 W代入公式（7），即可計算出該QFP48封裝的熱阻ja為127.8℃/W，該結果與上文中的理論分析值ja-es較為吻合，進一步驗證了兩種建模的一致性。

3 QFP48封裝熱阻優化分析

熱阻是反應材料阻止熱量傳遞的一個綜合參量。為了增強封裝結構的傳熱能力，需要減小其熱阻值。通過分析封裝熱阻網絡模型可知，只要降低關鍵路徑的熱阻值就可以有效降低整個封裝的熱阻。考慮到工業規模應用中，引線框架封裝中內部結構基本固定的情況，本文主要探討塑封材料、PCB面積及外部對流情況對熱阻的影響，即主要考慮的熱阻包括：封裝體上、下兩部分熱阻17、34，PCB熱阻56和對流熱阻con。本節沿用Ansys Icepak工具進行有限元建模和仿真分析。

3.1 塑封材料的熱導率對熱阻的影響

圖6給出了QFP48封裝在不同熱傳導率設置下的溫度分布圖。從圖中可以得到：熱傳導率為0.2 W/(m·℃)時，芯片的最高節溫為99.94℃；熱傳導率為5 W/(m·℃)時，芯片的最高節溫為78.73℃。

（a）0.2 W/(m·℃)

（b）2 W/(m·℃)

（c）3 W/(m·℃)

（d）5 W/(m·℃)

圖6 不同熱傳導率情況下的溫度分布

Fig.6 Temperature distributions corresponding to different thermal conductivities

根據公式（7），計算出不同熱傳導率設置下的熱阻值，如圖7所示。當塑封材料的熱傳導率較小時，熱阻ja隨熱傳導率的增加而顯著減小；當塑封材料的熱傳導率達到3 W/(m·℃)時，繼續增大熱傳導率對熱阻ja的影響則變得有限，并呈現飽和趨勢。

3.2 PCB面積對熱阻的影響

集成電路工作時的溫度除了與其封裝的物理結構及工作功耗有關外，還與PCB的面積大小和疊層結構有關。本文主要討論PCB面積變化對熱阻的影響，圖8給出了承載QFP48封裝的四層PCB結構在不同面積設置情況下對應的溫度分布圖。根據圖中的仿真結果可得：PCB大小為20 mm×10 mm時，芯片的最高結溫為130.31℃；PCB大小為150 mm×100 mm時，芯片的最高結溫為82.08 ℃。

圖7 熱傳導率與熱阻的關系

（a）20 mm×10 mm

（b）30 mm×20 mm

（c）50 mm×40 mm

（d）150 mm×100 mm

圖8 不同PCB面積情況下的溫度分布圖

Fig.8 Temperature distributions corresponding to different PCB areas

圖9進一步給出了PCB面積和封裝面積的比值與總熱阻大小的對應關系，從圖中可知，PCB面積和封裝面積的比值越大，其對應的總熱阻值ja則越小，當PCB和封裝面積比大于161.31時，其對應的熱阻值隨著面積比的變化呈現緩慢平穩的趨勢。因此，在集成電路封裝的散熱設計中，適當增大PCB面積將會對系統散熱產生積極影響。

圖9 PCB和封裝面積比與封裝熱阻的關系

3.3 對流強度對熱阻的影響

為了得到對流強度的改變對封裝熱阻的影響，本文采用給QFP48封裝施加橫向風冷的仿真條件，通過改變風速大小來分析封裝工作時的最高溫度和封裝熱阻[9]。圖10給出了風速大小分別為1，2，3和4 m/s時的QFP48封裝的溫度分布圖，從圖中可知，溫度隨風速的增加而減小：風速大小為1 m/s時，芯片的最高結溫為69.34℃；風速大小為4 m/s時，芯片的最高結溫為57.19℃。與圖5相比，風速大小由0增大為4 m/s時，芯片最高結溫降低了26.71℃。

（a）1 m/s

（b）2 m/s

（c）3 m/s

（d）4 m/s

圖10 不同橫向對流風速情況下的溫度分布

Fig.10 Temperature distributions corresponding to different air flow speeds

圖11進一步給出了風速大小與熱阻值的對應關系，從圖中可知，外部施加1 m/s的風速時，熱阻下降幅度最為明顯，約30 ℃/W，隨著風速進一步增大，熱阻降幅呈現緩慢并趨于飽和。因此，適當采用強迫對流的方法同樣可以增強電子元件的散熱功能。

圖11 風速與封裝熱阻的關系

4 結論

介紹了通用QFP48封裝結構的熱阻建模及優化分析。首先建立了數學模型，得到熱阻的理論計算方法；接著利用Icepak建立了有限元模型，仿真得到的熱阻值驗證了理論計算方法的正確性；最后對影響熱阻的幾個因素進行了優化分析：考慮成本、散熱等綜合因素，適當提高塑封材料的熱傳導率、增加PCB面積和施加一定風速的強迫對流均可降低QFP48封裝的熱阻，提高散熱效果。本文提到的熱阻建模及優化方法不僅適用于引線框架類的封裝，也可為其他封裝類型的熱阻求解提供參考。

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（編輯：陳渝生）

Modeling and analysis of thermal resistance for lead frame package

SUN Haiyan1, MIAO Xiaoyong2, ZHAO Jicong1, SUN Ling1, WANG Honghui2

(1. Jiangsu Key Laboratory of ASIC Design, Nantong University, Nantong 226019, Jiangsu Province, China; 2. Tongfu Microelectronics Co., Ltd, Nantong 226006, Jiangsu Province, China)

Aim at the general QFP48 lead frame package, the heat transfer mechanism was firstly discussed, and the theoretical computing results for the thermal resistance was provided; then, the QFP48 finite element model was established by utilizing the Ansys Icepak software. The simulated results show good consistency with the theoretical analysis on the heat transfer mechanism. Finally, methods to reduce the thermal resistance and to improve the thermal reliability were discussed. The simulation results show, by properly increasing the thermal conductivity of the molding compound, increasing the area of PCB and introducing a forced convection, that the thermal resistance of QFP48 package is reduced and the heat dissipation effect is improved.

lead frame package; thermal resistance; modeling; thermal simulation; optimization analysis; Icepak

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.05.009

TN306

A

1001-2028（2017）05-0044-05

2017-04-18

孫玲

江蘇省科技廳重點研發計劃項目資助(No. BE2016007-2)；江蘇省高校自然科學研究重大項目資助(No. 16KJA510006)；南通市科技應用基礎研究計劃項目資助(No. GY12015004)

孫海燕（1977－），男，江蘇南通人，副研究員，博士，研究方向為集成電路封裝設計，E-mail: sun.yan@ntu.edu.cn 。

網絡出版時間：2017-05-11 13:25

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170511.1325.009.html