基于场路耦合的LFBGA封装电热联合仿真分析_蔡燕.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 10 期 2023 年 10 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.10 Oct.2023 收稿日期:2023-04-17 基金项目:国家自然科学基金项目（62271271）；江苏省重点研究发展计划项目（BE2021013-1）作者简介:蔡燕（1981），女，江苏南通，硕士，讲师，主要研究方向为电子设计自动化、集成电路设计，。通信作者:宣慧（1987），女，江苏南通，硕士，高级工程师，主要研究方向为集成电路仿真，。引文格式:蔡燕，王楚越，宗烜逸，等.基于场路耦合的 LFBGA 封装电热联合仿真分析J.实验技术与管理,2023,40(10):148-152.Cite this article:CAI Y,WANG C Y,ZONG X Y,et al.Electro-thermal co-simulation analysis of LFBGA package based on field-path couplingJ.Experimental Technology and Management,2023,40(10):148-152.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.10.022 基于场路耦合的 LFBGA 封装电热联合仿真分析 蔡 燕1,2，王楚越1，宗烜逸1，宣 慧3（1.南通大学 信息科学技术学院，江苏 南通 226019；2.南通先进通信技术研究院有限公司，江苏 南通 226019；3.通富微电子股份有限公司，江苏 南通 226000）摘 要：目前的薄型细间距球栅阵列（low-profile fine-pitch ball grid array，LFBGA）封装电热联合仿真方法较少考虑电路芯片本身材料的散热能力，因此存在准确性不足的问题。为了解决这个问题，该文提出了一种基于场路耦合的 LFBGA 封装电热联合仿真方法。该方法建立了 LFBGA 封装热阻模型，考虑了电流和电压的热能转换以及芯片材料本身的散热能力，并使用场路耦合计算了电热联合芯片散热关系式。此外，该方法还设置了功率取值范围，确保仿真的精确性。通过实验验证，该方法的准确性在电压和电流计算中均高于现有的两种方法。因此，基于场路耦合的 LFBGA 封装电热联合仿真分析方法能够提供更准确的仿真结果。关键词：场路耦合；LFBGA 封装；电热联合；仿真分析 中图分类号：TN108.7 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)10-0148-05 Electro-thermal co-simulation analysis of LFBGA package based on field-path coupling CAI Yan1,2,WANG Chuyue1,ZONG Xuanyi1,XUAN Hui3(1.School of Information Science and Technology,Nantong University,Nantong 226019,China;2.Nantong Research Institute for Advanced Communication Technologies,Nantong 226019,China;3.Tongfu Microelectronics Co.,Ltd.,Nantong 226000,China)Abstract:The existing methods for electrical-thermal co-simulation of LFBGA(low-profile fine-pitch ball grid array)packaging suffer from insufficient accuracy due to the neglect of the heat dissipation capability of the chip material itself.To address this issue,this paper proposes a new electrical-thermal co-simulation method for LFBGA packaging based on the field-circuit coupling analysis.This method establishes the thermal resistance model of LFBGA packaging,considers the heat energy conversion of current and voltage,as well as the heat dissipation capability of the chip material itself,and uses the field-circuit coupling to calculate the thermal relationship equation of the electrical-thermal co-simulation chip.Additionally,a power value range is set to ensure the accuracy of the simulation.Experimental verification shows that the accuracy of the proposed method in the calculation of both voltage and current is higher than that of the two existing methods.Therefore,the proposed field-circuit coupling-based electrical-thermal co-simulation analysis method for LFBGA packaging can provide more accurate simulation results.Key words:field-path coupling;LFBGA package;electrothermal combination;simulation analysis 随着科技的迅猛发展，电子产品的地位日益重要，已成为人们生活不可或缺的一部分，因此电子设备的研究一直是科研界的重点项目。在电子电路的设计中，电热效应是一个重要的考虑因素。如果电子产品使用功率过高，会导致电路板过热，从而损坏电子产品并缩短使用寿命1-2。因此，在设计电子产品时，需要考 蔡 燕，等：基于场路耦合的 LFBGA 封装电热联合仿真分析 149 虑如何最大限度地减少电热转换效率，并充分考虑薄型细间距球栅阵列（low-profile fine-pitch ball grid array,LFBGA）封装与电热联合模型的结合，以满足高功率、低热能转换和 LFBGA 封装处理的需求3。电热联合封装技术是一种有效解决芯片热问题的方法，可以提高芯片的工作效率和稳定性，同时也可以延长芯片的使用寿命。以有限元分析 FEA（finite element analysis）与 IHT（instantaneous heat transfer）为例，FEA 可以处理复杂的几何结构和材料属性，但计算量较大，需要大量的计算资源，因此计算时间较长。IHT 方法主要考虑了不同材料之间的热阻、热容和热传导，优点是计算速度快，对计算资源的需求较低。然而，IHT 通常不适用于复杂的多物理场耦合问题，其准确性相对较低。文献4通过更新开关热能转换效率，对含源型负荷用电需求和偏好成本进行分析与建模，并基于膨胀系数和封装热循环材料对电热联合进行优化调度，得到电热联合的优化路径。文献5基于改进差分算法模拟量电子产品的 IGBT（insulated gate bipolar transistor）二极管器材，得到了模拟器件的功率需求，并通过参数计算电子产品的电热转换效率，建立了 LFBGA 封装电热联合的优化网络参数模型。本文基于文献45对场路耦合下的LFBGA封装电热联合进行仿真分析，验证了本文方法的优越性。1 基于场路耦合设计 LFBGA 封装电热联合仿真方法 1.1 建立 LFBGA 封装热阻模型 在电热联合模型中，热阻是衡量芯片热能转换的重要指标。在集成电路设计领域，热阻也是评价电路板质量的重要标准。本文旨在建立 LFBGA 封装的热阻模型，首先需要模拟其散热能力6-8。根据文献9，芯片结点与环境之间的热阻通常使用符号来表示，二者之间的转换关系式为 10()=TTQ?（1）式中，Q 为该模型中 LFBGA 封装的芯片功耗，单位为 W；T1为芯片的节点温度，T0为周边环境的温度，单位为；的功率范围等级标准见表 19。在测试 LFBGA 封装热阻模型的过程中，可以根据功率取值范围（表 1）测试标注每个参数的位置。本次热阻模型能够基于该参数设置的方法进行自然对流方式的消散验证。根据 JEDEC（Joint Electron Device Engineering Council）标准，本文给出了 LFBGA 的封装模型几何参数，详见表 2。其中基底材料采用有机玻璃纤维增强塑料 FR4，其热导率约为 0.25 W/(mK)，焊球采用无铅焊料，Sn96.5Ag3Cu0.5 合金，熔点为 217，热导率约为 64 W/(mK)10-11。表 1 功率取值范围 Q/W min/(W1)max/(W1)0.258 100 200 0.748 60 100 1.050 20 60 2.580 15 20 3.640 0 15 表 2 LFBGA 封装模型参数 封装参数类型 LFBGA 参数值 基板层数/个 6 焊球数量/个 270 芯片尺寸/mm3 4.3302.7800.200 塑封尺寸/mm3 13.55013.5500.700 基板尺寸/mm3 13.55013.5500.604 焊球直径/mm 0.350 球格尺寸/mm 0.650 1.2 基于场路耦合计算电热联合芯片散热关系式 电热联合芯片是 LFBGA 封装热阻模型中不可或缺的组成部分，也是电子设备中必不可少的组件之一，按照功率二极管的导电机制，可以大致将电热联合芯片分为两类，分别是多子载流的单功率芯片和少子载流的双功率芯片9。多子载流单功率芯片在二极管中通常采用高硅材料作为芯片核心，这意味着在相同电流等级下多子载流单功率芯片能够更好地完成电热转换。而少子载流双功率芯片在二极管中通常不使用单硅质品，其电热转换机制相对较差。因此，在设计电热联合芯片时通常使用多子载流的单功率芯片作为电热联合芯片的核心。该多子载流单功率芯片工作原理如图 1 所示。图 1 多子载流单功率芯片工作原理 由图 1 可知，在多子载流单功率芯片的离子移动中，该芯片在晶圆底衬的生长需要通过 N+或 N的外延来衬托。芯片将阴极与阳极相互折叠，形成一个可以流经中间管理区的粒子移动基地，因此在并联与串150 实 验 技 术 与 管 理 联的电子电路中，该电热联合芯片可以较大程度地提升电热转换效率12。在封装过程中，采用 LGBGA 封装热阻模型建造的芯片，通过多层封装的方式降低了对大电流和大电压开关的基板能量需求，通过有效的电子驱动力控制，减少了集成化的网络连接模式的复杂性。在这里的封装外壳通常采用塑料制品，并在表面覆盖一层散热装置。电路模型在构建时需要考虑到电场的功率损耗，以及导通电压、开通电压的频率体系。通过场路耦合方式发现该模型与温度的关系为 100()TTT?=|（2）式中，()T为温度 T 下电子迁移率，单位为 cm2/(Vs)；0为当电子迁移系数为 0 时的电子迁移率，单位为cm2/(Vs)；为经验常数，通常取值为 0.25。根据场路耦合原理计算电路板内部的电流参数：1000()()1TI TTI TT?|=（3）式中，I(T)为温度 T 下该电路板经过的电流系数，单位为 A；在式（3）中取值为 0.36。综上所述，电热联合芯片结构的设置需要考虑物理模型中的温度参数，以及电路板材料对温度的导热性能，同时结合场路耦合原理计算该电路板中的电流与电压参数，得到基于场路耦合的电热联合芯片散热关系式。1.3 LFBGA 封装电热联合仿真分析 本文采用半解析模型建立了基于场路耦合的LFBGA 封装电热联合仿真方法。该仿真方法结合了成熟 度 较 高 的 电 子 元 件 和 计 算 机 仿 真 技 术，通 过Simulink 软件实现电子电路的仿真模拟13。Simulink软件在电路仿真方面具有广泛应用和较大的优势，因其提供了非程序化逻辑赋值结构的仿真语言，并被广泛使用于自定义函数领域。基于 LFBGA 封装电热联合的目标，本文将仿真模型单元分为 3 个部分：参数指定的模板头、模板头的说明补充、采用节点电压电流计算方法方程段。通过设置和定义这 3 个部分，可以对电阻单元进行仿真模拟。此外，在建立模型的过程中，还需要考虑基于场路耦合的 LFBGA 封装电热联合功耗模型，并使用分段型差值算法提取开通能耗、关闭能耗的函数关系式12。将这些关系式的所有模型全部导入电模型和功耗计算模型中，通过理想化的封装，将开关控制的电子元件设置为阈值电压，并通过LFBGA 打通封装结构，实现电热联合的仿真模拟。在编写具有动态特性的电热耦合模型时，需要考虑电流通路计算电子流动的特性区间结构14，并通过修改电阻参数模拟电阻的载流漂移速率随温度、电流和电压的变化15-16。该过程可以初步验证该仿真方法的有效性，实现电热转换的仿真模拟。2 仿真实验 本仿真实验旨在通过仿真软件对基于场路耦合的LFBGA 封装电热联合方法和现有的两种方法（文献4和5所述方法）进行对比分析，从而判断本文所述的方法是否更具优越性。2.1 实验过程 电子产品的短路是 LFBGA 在极端工况条件下的一个抗议行为，在每次发生短路情况时，LFBGA 模块就会同时承受电流与电压的双重冲击，电路板的温度也会因功率的提高在短时间内迅速升高，电路板的内部特性也会发生显著改变。本文基于减少电路板断路的理念，对电子产品因电热效应产生的短路行为进行仿真研究，在实验中 IGBT 的短路能力是一种很重要的参数，影响IGBT及其系统装置的可靠性，根据IGBT的特性分别建立以下 3 种短路类型。型短路：电流高峰出现在导通区间的中段，通常持续时间约为微秒级别；型短路：电流响应更快，通常持续时间更短；型短路：持续时间较短，电流响应速度介于 I 型和型短路之间。通过仿真建模在该模型中建立 3 类短路现象的功率，使用条件如表 3 所示。表 3 3 类短路现象功率分布 短路类型 最小功率/109 W 最大功率/102 W总功率/W型短路 1.057 4 6.763 0.369 4 型短路 1.249 6 7.142 0.445 9 型短路 1.336 5 8.369 0.524 8 在检测电能与热能之间的功率损耗后，通过仿真实验中的功率损耗与温度数据，可以计算得到芯片电路运转与温度之间的相互作用力，并通过图 2 的仿真原理制定 LFBGA 封装的电热联合数据结构。图 2 LFBGA 封装电热联合仿真原理 蔡 燕，等：基于场路耦合的 LFBGA 封装电热联合仿真分析 151 由图 2 可知，在电热功率转换与短路电路仿真的相互传输之间，所有仿真数据的计算都是双向的，如果想要最终达成内向收敛，即在仿真计算中数据的变化逐渐减小并趋于稳定，就需要将数据收敛的结果定义为数据输入与输出之间的功率损耗。在本次仿真实验中，可以将电热功率转换前后的电流与电压变化作为仿真结果，判断这个过程中的热能转换效率，并得出 LFBGA 封装电热联合方法与现有的两种电热联合方法的对比结果。2.2 实验结果分析 通过 MATLAB 软件计算以上实验过程中得到的瞬时电流以及瞬时电压，并绘制如图 3 所示的短路电流和电压仿真结果。图 3 实验仿真结果 如图 3 所示，实验组表示本文设计的基于场路耦合的 LFBGA 封装电热联合方法，对照组 1 和 2 分别表示文献的两种方法（文献4提及的基于含源型负荷分析方法和文献5提及的基于电热耦合分析方法）。在3 个时间段中，分别表示型、型和型短路的电流与电压变化情况。图中的实线表示实验中设置的参考值，而虚线则是该方法通过仿真软件得到的仿真值。通过图 3 中的数值进行统计与分析，可以得到各时间点3 组实验仿真数据。图 4 是根据图 3 的实验数据进行误差计算后绘制的各时间点误差折线图，可知相对于设置的参数，3组通过仿真得到的数值不同，但整体上实验组的电流和电压误差值均更接近零刻度线，即实验组的数值偏差相对较小。图 4 实验误差数据折线图 通过数值计算可得，实验组的电流均方根误差为1.4 A，电压均方根误差为 106.9 V；而对照组 1 的电流均方根误差为 3.4 A，电压均方根误差为 433.8 V；对照组 2 的电流均方根误差为 4.4 A，电压均方根误差为 406.9 V。由计算结果可知实验组的误差均值明显小于两个对照组。因此，基于场路耦合的 LFBGA 封装电热联合仿真方法能够得到更准确的仿真数值，较现有的仿真方法更准确。3 结语 本文设计了基于场路耦合的 LFBGA 封装电热联合仿真方法，通过在仿真程序中添加电路板材料的散热功能，提高了仿真分析方法的准确性。通过实验将该仿152 实 验 技 术 与 管 理 真分析方法与现有的两种方法对比，得出其在电压与电流的计算中准确性均较高，较现有的仿真方法更优越。参考文献(References)1 FUKAHORI K,GRAY P R.Computer simulation of integrated circuits in the presence of electrothermal interactionJ.IEEE Journal of Solid-State Circuits,1976,11(6):834846.2 王浩南，曹玉峰，赖耀康，等.基于裸片封装的 SiC MOSFET功率模块热分析J.电器与能效管理技术，2022(8):3943.WANG H N,CAO Y F,LAI Y K,et al.Thermal analysis of SiC MOSFET power module based on die packageJ.Electrical&Energy Management Technology,2022(8):3943.(in Chinese)3 ZHOU W,JIANG T.Grooved ball pad structure(GBPS)to improve FBGA solder joint reliability(SJR)performanceJ.ECS Transactions,2009,18(1):813820.4 宣慧，于政，吴华，等.高密度封装中互连结构差分串扰建模与分析J.电子与封装,2021,21(2):7477.XUAN H,YU Z,WU H,et al.Modeling and analysis of differential crosstalk of interconnect structure in high density packagingJ.Electronics&Packaging,2021,21(2):7477.(in Chinese)5 SUN H Y,GAO B,SUN L,et al.Electrical-thermal co-simulation for LFBGAC/19th International Conference on Electronic Packaging Technology(ICEPT).Shanghai:IEEE,2018:1269 1272.6 朱臣伟，刘娟，唐昊，等.基于协同仿真技术的超宽带射频微系统热电设计J.固体电子学研究与进展，2022,42(4):269274,286.ZHU C W,LIU J,TANG H,et al.Thermoelectric design of ultra-wideband RF microsystem based on co-simulation technologyJ.Research&Progress of SSE,2022,42(4):269274,286.(in Chinese)7 TIAN W C,LI Z,WANG Y K,et al.Height uniformity simulation and experimental study of electroplating gold bump for 2.5D/3D integrated packagingJ.Micromachines,2022,13(9):1537.8 林俐，顾嘉，张玉.基于含源型负荷用电需求弹性及偏好成本的电热联合优化调度J.电网技术,2020,44(6):2262 2272.LIN L,GU J,ZHANG Y.Optimal dispatching of combined heat-power system based on the power demand elasticity and preference cost of active loadJ.Power System Technology,2020,44(6):22622272.(in Chinese)9 EIA.Integrated circuit thermal test method environment condition-natural convection(still air):JESD 51-2S.EU:JEDEC,2008.10 耿学锋，何赟泽，李孟川，等.IGBT 多物理场建模技术与应用研究概述J.中国电机工程学报，2022,42(1):271290.GENG X F,HE Y Z,LI M C,et al.An overview of IGBT multiphysics modeling technology and applicationJ.Proceedings of the CSEE,2022,42(1):271290.(in Chinese)11 贾英杰，肖飞，段耀强，等.MPS 结构 SiC 二极管场路耦合建模及多速率电热联合仿真分析J.中国电机工程学报，2019,39(19):55855594,5886.JIA Y J,XIAO F,DUAN Y Q,et al.Field-circuit coupling modeling and multi-rate electro-thermal co-simulation analysis of merged PiN schottky SiC diodeJ.Proceedings of the CSEE,2019,39(19):55855594,5886.(in Chinese)12 张琦，曾燕萍，袁伟星，等.大功率高性能 SiP 的电热耦合分析J.电子与封装,2021,21(8):8791.ZHANG Q,ZENG Y P,YUAN W X,et al.Electrical-thermal co-analysis based on high-power and superior-performance SiPJ.Electronics&Packaging,2021,21(8):8791.(in Chinese)13 ESHKABILOV S.Beginning MATLAB and simulink:From novice to professionalM.Berkeley,CA:Apress,2019.14 王洪辉，高波，孙海燕.基于 LFBGA 的电热耦合仿真J.中国集成电路，2018,27(10):4146.WANG H H,GAO B,SUN H Y.Electrical-thermal co-simulation for LFBGAJ.China Integrated Circuit,2018,27(10):4146.(in Chinese)15 贾英杰，肖飞，罗毅飞，等.基于场路耦合的大功率 IGBT多速率电热联合仿真方法J.电工技术学报，2020,35(9):19521961.JIA Y J,XIAO F,LUO Y F,et al.Multi-rate electro-thermal simulation method for high power IGBT based on field-circuit couplingJ.Transactions of China Electrotechnical Society,2020,35(9):19521961.(in Chinese)16 马渊博，李斌，吴朝晖，等.基于功率放大芯片可靠性优化的多热源电热联合仿真方法J.华南理工大学学报（自然科学版），2018,46(10):5057.MA Y B,LI B,WU Z H,et al.A reliability optimization method of power amplifier based on electric-thermal analysis on multiple heat sourcesJ.Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition),2018,46(10):5057.(in Chinese)（编辑：张利芳）