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电子包装继续变得更加复杂的设备数量，更高的功率密度，和异构集成(HI)变得越来越普遍。在移动领域，曾经是印刷电路板(PCB)上的独立组件的系统，现在已经与所有相关的无源设备和互连设备一起被重新定位为单个封装系统(SiP)风格的子组件。高性能计算和数据中心包也出现了类似的趋势，其中内存已经变成了单一的基于interposer的集成包。与现代先进封装的快速发展和复杂性增加相比，控制机械应力和热传递的物理定律一直保持不变。尽管近年来包装材料的发展取得了巨大的进步，但还没有一种革命性的材料能够消除机械应力和热问题。

为了指导封装设计过程中的工程决策，机械(结构和热)模拟是预测器件性能、研究器件故障、探索根本原因和进行优化研究的合适工具。这篇博客文章将关注复杂包的独特挑战，这些包需要高模拟保真度，并探索两个使用模拟的案例研究描述包装热性能。

案例研究1:手机市场包装

第一个案例研究描述了一个场景，其中a成套系统该设备是为移动市场设计的。该包装预计被夹在两个堆叠的印刷电路板(PCB)之间，这限制了可用的选项从包装中去除热量:热量必须传递到PCB和有限的总包装厚度排除了顶部铜散热器。

以下是对a的改进双面成型球网格阵列(DSMBGA)进行了测试:高导热环氧成型胶(EMC);将BGA替换为大型铜(Cu)柱，并使用系统级底填料密封底部侧暴露的模具和PCB之间的间隙(见图1)。在这些选项中，只有系统级底填料提供了显著的热改善:在标准JEDEC静止空气环境中，从连接到环境(ΘJA)的热阻约减少10%。Cu柱的改进可以忽略不计，高热导性EMC的改进不到1%(见图2)。该模拟是使用Siemens Simcenter Flotherm进行的。

图1:典型BGA器件(a)和带有活动元件和模具的DSMBGA器件(B)的BGA布局差异。(C)显示DSBGA器件的代表性截面

图2:(A)衬底底部模具下板级底填料的位置。(B)未填满(上)和未填满(下)的模拟温差。图像之间的色阶是一致的。(C)不同底填体热导率的模拟结果图

案例研究2:大体积包装

本报告中的第二个案例研究是一个大型物体的结构-热耦合模拟高密度扇出(HDFO)包，具有中央专用集成电路(ASIC)和多个高带宽内存(HBM)模块(见图3)。大多数热模拟假设(为了速度和简单)在ASIC/HBM模块顶部和盖子底部之间有一个恒定的热界面材料(TIM)粘结线厚度。在这项研究中，有必要更好地了解跨ASIC和模块区域的键合线厚度(由于翘曲)的变化如何影响封装的热性能。

图3:大体HDFO模型。四分之一对称视图(左)。扩展视图(右)与盖子隐藏显示ASIC+6 HBM HDFO模块

首先在Ansys Icepak中模拟一个63 x 63 mm的HDFO包，生成“开机”温度剖面，可应用于Ansys Workbench Mechanical中的结构。该温度剖面有两个目的:应用作为整个结构模型的温度条件来产生应力，并计算模型由于每种材料的不同热膨胀系数而产生的变形;第二，计算用于Ansys力学稳态热模拟变形几何和变化TIM键合线的盖顶和底基温度边界条件(见图4)。

图4:(顺时针方向，从左上起)Ansys Project Schematic，显示了耦合热模型和结构模型的关联子系统。包装翘曲，20°C，死虫视图(看基板底部)。包装翘曲与“开机”热梯度应用死虫视图(与20°C翘曲相同色标)。温度剖面边界条件为Icepak导入

变形几何图形(在室温翘曲基线20°C和icepak模拟的“通电”温度下计算)被用作热模型的几何图形。活动表面结温度的变化，测量相对于未变形的基线，计算和报告整个模具表面(见图5)。

图5:各种模拟ASIC温度的温度结果图。误差条表示整个模面的总温度范围

结论

Ansys机械热模型报告ASIC模具表面平均温度为88.9°C，最高为92.6°C，最低为82.8°C(模具表面温度δ为9.7°C)。20°C形状的模型报告平均模具温度为86.0°C，最高为89.1°C，最低为81.4°C(整个模具的温度增量为7.7°C)。“通电”形状模型报告平均模具温度为86.3°C，最高为89.4°C，最低为81.4°C(整个模具的温度增量为8.0°C)。

由于模组中心较薄的键线和模组角较厚的键线(相对于50 μ m的BLT基线)，导致键线厚度(BLT)变化的模型中的模组温度似乎更一致(穿过模组的较低δ)。这个案例研究的结果是更好地理解未来模型的不确定性。

작성자정보

Nathan Whitchurch是Amkor公司支持包装和机械模拟的高级工程师。在进入电子封装领域之前，Whitchurch从事的项目包括车载计算机机架外壳、无线电热设计、数据中心热分析和系统集成。他提供了系统级上下文和包级机械模拟的理解。惠特彻奇拥有南加州大学机械工程学士学位。